ผู้ผลิตชอบอวดเรื่องการวางคาร์บอนไฟเบอร์ ดังนั้นนักปั่นจักรยานจึงตัดสินใจตรวจสอบความหมายและผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน
จักรยานเป็นของขวัญคริสต์มาสที่ดีที่สุดที่เคยมีมา แต่ยกเว้นลูกสุนัขก็เป็นสิ่งที่ห่อได้ยากที่สุดเช่นกัน น่าสงสารผู้ออกแบบเฟรมที่น่าสงสารที่ต้องพันและปิดคาร์บอนรอบส่วนโค้งที่ซับซ้อน เมื่ออบและเสร็จแล้ว เฟรมจะให้ความรู้สึกในการขับขี่ที่ต้องการ การสร้างเฟรมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นปริศนา 3 มิติที่ซับซ้อนซึ่งบดบังลูกบาศก์ของรูบิก
ความงามของคาร์บอนก็คือ ชิ้นส่วนหลายชิ้นสามารถวางซ้อนกันหลายชั้นได้หลายระดับและซ้อนทับกันเพื่อให้ควบคุมคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพและความแข็งแรงที่ต้องการในทุกจุดของเฟรมจักรยานได้อย่างแน่นหนาข้อเสียคือคาร์บอนเป็นแบบแอนไอโซทรอปิก ซึ่งแข็งแกร่งในทิศทางเดียวมากกว่าทิศทางอื่นในลักษณะเดียวกันกับไม้ ซึ่งหมายความว่าความแข็งแรงจะขึ้นอยู่กับทิศทางของเส้นใย เพื่อให้คาร์บอนรับน้ำหนักได้มาก แรงต้องเคลื่อนไปตามเส้นใย ซึ่งทำให้ทิศทางของเส้นใยมีความสำคัญอย่างยิ่ง ส่วนประกอบของเฟรมจักรยานจะมีแรงกระทำในหลายทิศทาง ซึ่งหมายความว่าเส้นใยคาร์บอนจะต้องวิ่งไปในหลายทิศทางด้วย นั่นเป็นสาเหตุที่ชั้นต่างๆ มีเส้นใยในมุมที่ต่างกัน โดยทั่วไปคือ 0° (ในแนวเส้น) +45°, -45°, +90° และ -90° และมุมใดก็ตามที่นักออกแบบเลือกไว้หากจะสร้างคุณลักษณะที่ต้องการ.
ในส่วนลึก
เฟรมคาร์บอนทั้งหมดเป็นแบบนี้ ใต้พื้นผิวที่แวววาวเป็นชิ้นคาร์บอนไฟเบอร์หลายชั้นซึ่งมีความแข็งแกร่ง ความแข็งแกร่ง รูปร่าง ขนาด ตำแหน่งและทิศทางที่ได้รับการวางแผนมาอย่างดี มักจะใช้ชุดซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์และความเชี่ยวชาญของวิศวกรร่วมกันนี้เรียกว่ากำหนดการนอนหรือเพียงแค่เลย์อัพ เมื่อจิ๊กซอว์คาร์บอนเสร็จสิ้น จักรยานจะต้องเบา ตอบสนอง คุ้มค่า และสามารถทนต่อแรงสุดขีดของการปั่นจักรยานได้
ศาสตราจารย์แดน อดัมส์ ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการกลศาสตร์คอมโพสิตที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ในซอลต์เลกซิตี ตัวเขาเองเป็นนักปั่นจักรยานที่กระตือรือร้นและเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเฟรมคาร์บอนตัวแรกของ Trek กล่าวว่าการสร้างอะไรก็ได้จากคาร์บอนล้วน เกี่ยวกับกำหนดการวางตัวที่ถูกต้อง 'มันระบุทิศทางของชั้นแต่ละชั้นหรือชั้นของพรีเพกคาร์บอน/อีพ็อกซี่ ซ้อนกันเพื่อทำให้ส่วนสุดท้ายหนา' เขากล่าว 'ชิ้นส่วนเฟรมบางชิ้นสามารถวางได้ง่ายกว่าส่วนอื่น ท่อเหล่านี้ค่อนข้างเรียบง่าย แต่รอยต่อระหว่างท่อทั้งสองเป็นส่วนที่ซับซ้อนที่สุดที่คุณจะเห็นในชิ้นส่วนการผลิตในอุตสาหกรรมใดๆ ที่ใช้โครงสร้างคาร์บอน รวมทั้งการบินและอวกาศและยานยนต์’
ลักษณะแอนไอโซทรอปิกของคาร์บอนทำให้การเลือกคาร์บอนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญที่ง่ายที่สุด มีสองวิธีในการจัดหาคาร์บอน Unidirectional (UD) มีเส้นใยคาร์บอนทั้งหมดวิ่งไปในทิศทางเดียวขนานกัน ทางเลือกสำหรับยูดีคือผ้าทอหรือ 'ผ้า' มีเส้นใยที่วิ่งไปในสองทิศทาง โดยลอดใต้และทับกันเป็นมุมฉากเพื่อให้ดูคลาสสิกของคาร์บอนไฟเบอร์ ในเนื้อผ้าที่ง่ายที่สุดที่เรียกว่าการทอแบบธรรมดา เส้นใยจะร้อยเรียงใต้และทับทุกจุดไขว้ (เรียกว่า ‘1/1’) เพื่อสร้างลวดลายเหมือนตาราง มีรูปแบบการทอแบบอื่นๆ อีกมากมาย สิ่งทอลายทแยง (2/2) จะหลวมกว่าเล็กน้อยเพื่อให้พับได้ง่ายขึ้นและจดจำได้ง่ายด้วยรูปแบบแนวทแยงซึ่งดูเหมือนบั้ง
โมดูลัส (การวัดความยืดหยุ่น) ของเส้นใยยังเป็นพื้นฐานสำหรับการจัดวางที่กำหนด โมดูลัสกำหนดความแข็งของเส้นใย เส้นใยโมดูลัสมาตรฐานที่พิกัด 265 กิกะปาสคาล (GPa) มีความแข็งน้อยกว่าเส้นใยโมดูลัสระดับกลางที่พิกัด 320GPaจำเป็นต้องมีโมดูลัสคาร์บอนที่สูงกว่าเพื่อสร้างส่วนประกอบที่มีความแข็งเท่ากัน ซึ่งส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มีน้ำหนักเบากว่า เส้นใยโมดูลัสที่สูงกว่าจึงอาจดูเหมือนเป็นทางเลือกที่ดีกว่า แต่ก็มีสิ่งที่จับได้ การเปรียบเทียบสามารถทำได้โดยใช้หนังยางกับเส้นสปาเก็ตตี้ แถบยางมีความยืดหยุ่นสูง (มีโมดูลัสต่ำ) และสามารถโค้งงอได้โดยใช้แรงเพียงเล็กน้อยแต่จะไม่แตกหัก รวมทั้งจะกลับคืนสู่รูปร่างเดิมหลังจากดัด ในทางกลับกัน สปาเก็ตตี้มีความแข็งมาก (โมดูลัสสูง) ดังนั้นจึงต้านทานการเสียรูปจนถึงจุดหนึ่งแล้วจึงแตกหักง่าย ฝ่ายการตลาดมักจะอวดอ้างโมดูลัสไฟเบอร์บางอย่างในการออกแบบเฟรมล่าสุด แต่ในกรณีส่วนใหญ่ เฟรมจักรยานจะเป็นการปรับสมดุลของโมดูลัสหลายประเภทภายในการจัดวางเพื่อให้ได้ส่วนผสมที่ลงตัวระหว่างความแข็ง ความทนทาน และความยืดหยุ่น.
ยังมีอีกหนึ่งตัวแปรที่ต้องพิจารณา เส้นใยคาร์บอนเพียงเส้นเดียวนั้นบางมาก - บางกว่าเส้นผมมนุษย์มาก ดังนั้นจึงรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่า 'ลากจูง'สำหรับจักรยานยนต์ รถพ่วงสามารถบรรจุสิ่งของได้ตั้งแต่ 1, 000 ถึง 12,000 เส้น ถึงแม้ว่า 3, 000 (เขียนเป็น 3K) จะพบได้บ่อยที่สุด
ไฟเบอร์นี่ ไฟเบอร์ที่
นั่นเป็นพื้นฐาน แต่การสร้างเลย์อัพนั้นซับซ้อน ดร.ปีเตอร์ กิดดิงส์ วิศวกรวิจัยของ National Composites Centre เมืองบริสตอล กล่าวว่า "จากจุดแข็งและจุดแข็งที่บริสุทธิ์ คอมโพสิตในอุดมคติจะมีสัดส่วนสูงสุดของเส้นใยต่อเรซินที่เป็นไปได้และโค้งงอน้อยที่สุดในเส้นใย" ทำงานกับจักรยานยนต์และแข่งมาหลายปี 'เส้นใยทิศทางเดียวอย่างน้อยในทางทฤษฎีเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเรื่องนี้ วัสดุ UD มีอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักเพิ่มขึ้นในทิศทางของเส้นใย น่าเสียดายที่วัสดุคอมโพสิต UD มีความอ่อนไหวต่อความเสียหายมากกว่า และเมื่อเสียหายแล้ว ก็มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวมากกว่าผ้าทอ’
การสร้างเฟรมจากชั้นคาร์บอนของ UD โดยเฉพาะจะสร้างจักรยานที่เปราะอันตรายได้ ไม่ต้องพูดถึงราคาแพงมากเนื่องจากวัสดุและต้นทุนชั่วโมงทำงานดังนั้นคาร์บอนแบบทอจึงเป็นตัวเลือกที่ชัดเจนสำหรับพื้นที่ใดๆ ที่มีส่วนโค้งที่คับแคบและรูปร่างของข้อต่อที่ซับซ้อน ยิ่งไปกว่านั้น คนชอบรูปลักษณ์ของมัน 'วัสดุทอที่สวยงามถือว่าดูดีกว่าวัสดุที่มีทิศทางเดียว และการรับรู้ของสาธารณชนเกี่ยวกับคอมโพสิตเป็นผ้าทอ' Giddings กล่าว 'ในความเป็นจริงผู้ผลิตหลายรายทาสี [ดังนั้นการปกปิด] บริเวณที่โครงสร้างเฟรมป้องกันไม่ให้มีลักษณะทอเรียบ'
ความง่ายในการผลิตยังต้องคำนึงถึงตารางเวลาในการจัดวางเพื่อคำนึงถึงต้นทุนแรงงานด้วย สำหรับข้อต่อและรูปร่างที่ซับซ้อน จะใช้เวลานานกว่ามากในการสร้างการจัดวางด้วยเส้นใยยูดี เป็นอีกเหตุผลหนึ่งว่าทำไมผ้าทอจึงเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับผู้ผลิตจักรยานยนต์คาร์บอนส่วนใหญ่ 'ผ้าทอใช้งานได้ง่ายกว่ายูดีและต้องใช้ทักษะน้อยกว่าเพื่อให้พอดีกับรูปร่างที่ต้องการ' กิดดิงส์กล่าว 'UD มีแนวโน้มที่จะแยกหรืองอรอบรูปร่างที่ซับซ้อน ผ้าทอแบบหลวมจะเข้ากันได้ง่ายกว่าและความแข็งแรงโดยรวมของโครงสร้างได้รับผลกระทบจากข้อบกพร่องเล็กน้อยจากการผลิตน้อยลง’
ผู้ผลิตมักจะเลือกใช้คาร์บอนแบบทอในบริเวณที่ซับซ้อนที่สุด เช่น กะโหลกและทางแยกของท่อเฮดทูบ แต่ก็ยังไม่ง่ายอย่างที่คิด เพราะมีปัจจัยอื่นที่ต้องพิจารณา Paul Remy วิศวกรจักรยานของ Scott Sports กล่าวว่า "คุณต้องการคงความต่อเนื่องของการวางแนวเส้นใยไว้ไม่เพียงแค่บริเวณทางแยก แต่ตลอดและเกินกว่านั้น" 'อาจมีความโค้งที่ซับซ้อนที่ทางแยก เช่น วงเล็บปีกกา ดังนั้นคุณต้องคิดหาวิธีที่จะวางแนวเส้นใยต่อไป' เพื่อถ่ายโอนการโหลดทั่วทั้งพวกมัน'
ที่นี้วิศวกรเฟรมอย่าง Remy รู้สึกขอบคุณสำหรับความช่วยเหลือด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์ ในอดีต วิธีเดียวที่จะทราบได้ว่าการเปลี่ยนแปลงตารางเวลาเลย์เอาต์ต่างๆ อาจส่งผลต่อผลลัพธ์สุดท้ายอย่างไรคือการสร้างและทดสอบต้นแบบหลายตัว แต่ตอนนี้ คอมพิวเตอร์สามารถทดสอบตารางเลย์อัพได้อย่างแม่นยำในระดับสูงมากก่อน เส้นใยเส้นเดียวได้สัมผัสลงในแม่พิมพ์กรอบ
‘ก่อนหน้านี้เป็นเรื่องยากมากที่จะรู้ว่าเอฟเฟกต์การเปลี่ยนแปลงเพียงส่วนหนึ่งของการจัดวางจะส่งผลต่อประสิทธิภาพของเฟรมอย่างไร’ Remy กล่าว
บ็อบ พาร์ลี ผู้ก่อตั้ง Parlee Cycles ในรัฐแมสซาชูเซตส์ จำวันเก่าๆ เหล่านั้นก่อนที่คอมพิวเตอร์จะทำตัวเลขทั้งหมดอย่างชอบใจ: 'ถ้าคุณเข้าใจภาระของโครงสร้างโครงถัก เช่น โครง การเลย์อัพก็ตรงไปตรงมา ดังนั้นในตอนแรกฉันสามารถคิดมันออกมาได้ด้วยตัวเอง' Parlee ยอมรับตั้งแต่นั้นมาว่า Computer finite Element Analysis (FEA) ก็เข้ามาแทนที่ 'เดิมทีฉันจะไม่เจาะรูในท่อเฟรม [สำหรับจุดเข้าสายเคเบิลหรือตัวยึดกรงขวด] เพราะมันเป็นจุดอ่อนที่อาจเกิดขึ้น แต่ตอนนี้ FEA บอกเราว่าต้องทำอย่างไรเพื่อเสริมกำลังรูนั้น" เขากล่าว
พลังการประมวลผลที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับซอฟต์แวร์ที่ล้ำสมัยยิ่งขึ้นช่วยให้วิศวกรวิเคราะห์แบบจำลองเสมือนจริงจำนวนมากได้ในเวลาอันสั้นและขยายขอบเขตของการออกแบบและวัสดุChris Meertens วิศวกรออกแบบเฉพาะทางกล่าวว่า การวนซ้ำเป็นชื่อของเกม เครื่องมือ FEA สร้างแบบจำลองที่เป็นตัวแทนของเฟรม และเป้าหมายคือการทำให้ไฟเบอร์ทุกส่วนมารวมกัน ซอฟต์แวร์ช่วยให้ฉันสามารถออกแบบแต่ละชั้นตามแบบจำลองการปรับให้เหมาะสมสำหรับกล่องโหลด 17 ชุดที่เรามีสำหรับเฟรมรุ่น’
หมายความว่าอย่างไร ซอฟต์แวร์สั่งให้ Meertens มีคาร์บอนในแต่ละพื้นที่ของเฟรมเท่าใด และทิศทางที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเส้นใย ทักษะนั้นอยู่ที่การรู้ว่าอะไรเป็นและเป็นไปไม่ได้ด้วยการจัดวางคาร์บอน บางครั้งคอมพิวเตอร์ก็พ่นอุดมคติที่ห่างไกลจากอุดมคติ "ส่วนใหญ่ฉันดูและพูดว่า "ไม่มีทางที่เราจะทำอย่างนั้นได้" Meertens กล่าว 'จากนั้นฉันก็เลยยุ่งอยู่กับซอฟต์แวร์การแต่งตัวแบบลามิเนตเพื่อตัดชั้นเสมือนจริงและปิดทับบนแมนเดรลเสมือนจริง โดยอิงจากความเป็นไปได้ในการผลิตและการเพิ่มประสิทธิภาพของลามิเนต'
ถึงแม้จะใช้ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ก็อาจต้องใช้เวลาหลายวันกว่าจะถอดรหัส และยังต้องใช้เวลาอีกยาวไกลกว่าจะกำหนดการจัดวางได้ในที่สุดแง่มุมหนึ่งที่องค์ประกอบของมนุษย์มีความสำคัญคือต้องแน่ใจว่าใช้เกรดไฟเบอร์ที่ถูกต้องในสถานที่ที่เหมาะสม Meertens กล่าวว่าเส้นใย '0° มีความแข็งมาก แต่ไม่มีแรงกระแทกที่ดี ดังนั้น เพื่อให้ทนต่อความเสียหายของคอมโพสิต เราต้องหลีกเลี่ยงการวางมากเกินไปในสถานที่ต่างๆ เช่น ด้านล่างของท่อด้านล่าง ฉันจะรู้ในขั้นตอนนี้ว่าฉันต้องการรูปร่างชั้นใด แต่ตอนนี้ฉันอยากรู้ว่าแต่ละชั้นมีกี่ชั้น ดังนั้นฉันจึงเรียกใช้โปรแกรมเพิ่มประสิทธิภาพอื่นที่บอกฉันว่าควรสร้างมันหนาแค่ไหน โดยพื้นฐานแล้วคือจำนวนเลเยอร์ มันจะวิเคราะห์ที่ใดก็ได้ตั้งแต่ 30 ถึง 50 การรวมกันของชั้น เราจะดำเนินการตามวงจรของการแต่งตัวเสมือนจริงและการปรับให้เหมาะสมสี่หรือห้าครั้ง ปรับแต่ง plies ให้ละเอียดขึ้นอีกเล็กน้อยในแต่ละครั้ง แต่เมื่อถึงจุดหนึ่งเราต้องกด “ไป” แล้วส่งออกไป’
คำแนะนำขั้นสุดท้าย
ตารางการจัดวางก็เหมือนกับแผนที่ 3 มิติ โดยให้รายละเอียดคาร์บอนแต่ละชิ้นในแต่ละชั้น 'เฟรมแบ่งออกเป็นเก้าโซน: สองเบาะนั่ง, สอง chainstays, กะโหลก, ที่นั่ง, ท่อบน, หัวและล่าง' Meertens กล่าว'เราระบุ Datum ซึ่งเป็นแกนสำหรับแต่ละโซน การวางแนวของคาร์บอนทุกชิ้นในเขตนั้นสัมพันธ์กับจุดอ้างอิงนั้น ท่อล่างอาจมีชั้นที่ 45°, 30° และ 0° ที่สัมพันธ์กับ Datum เฉพาะที่ โดยทั่วไป วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงกว่าจะใช้แบบนอกแกนในมุมหนึ่ง วัสดุโมดูลัสที่สูงขึ้นที่เราใช้ตามแนวแกน ที่ 0 °’
ไฟล์ผลลัพธ์สามารถมีขนาดได้ถึง 100Mb และในที่สุดก็จะถูกส่งไปยังพื้นโรงงาน พนักงานแต่ละคนในโรงงานจะได้รับเฉพาะส่วนที่เกี่ยวข้องกับส่วนของเฟรมที่พวกเขารับผิดชอบในการสร้างเท่านั้น นี่ยังไม่ใช่การผลิตขั้นสุดท้าย เฟรมที่สร้างขึ้นนั้นเป็นต้นแบบในขั้นตอนนี้ และจำเป็นต้องได้รับการทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าการจัดวางที่ออกแบบทางดิจิทัลส่งผลให้เกิดเฟรมที่ใช้งานได้จริง การตรวจอัลตราซาวนด์ การตรวจเอ็กซ์เรย์ และการผ่าทางกายภาพเผยให้เห็นความหนาของลามิเนต ที่อื่นเมทริกซ์เรซินจะถูกเผาทิ้งเพื่อแสดงคุณภาพของการเคลือบและไม่ว่าวัสดุหรือเส้นใยจะย้ายออกหรือไม่ การทดสอบการดัดงอควรแสดงผลเช่นเดียวกับการวิเคราะห์ FEAแต่สุดท้ายก็เป็นมนุษย์ที่พามันออกไปบนท้องถนน
‘การขี่จักรยานเป็นวิธีเดียวที่เราสามารถหาปริมาณได้อย่างแท้จริง’ Bob Parlee กล่าว 'เราสามารถทำการทดสอบการโค้งงอและการรับน้ำหนักได้ แต่เราต้องออกไปและขี่มันเพื่อดูว่ามันทำงานได้ดีอย่างที่เราต้องการหรือไม่' เมื่อโมเดลผ่านการรวบรวม ในที่สุดการผลิตจะได้รับไฟเขียว
การผลิตจักรยานยนต์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ตะวันออกไกล และสิ่งนี้ก็ให้ความสำคัญมากขึ้นกับตารางการจัดวาง แผนรายละเอียดที่ละเอียดถี่ถ้วน หากทำตามในจดหมาย ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจากโรงงานขนาดใหญ่เหล่านี้เป็นฝาแฝดที่เหมือนกันกับที่ทดสอบและผ่านในขั้นตอนต้นแบบขั้นสุดท้าย แน่นอนว่าแบรนด์ส่วนใหญ่ทำการทดสอบและทดสอบเฟรมการผลิตซ้ำอย่างต่อเนื่องเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสอดคล้องกัน เพื่อให้จักรยานไปถึงร้านตรงตามความคาดหวังของลูกค้า ในกรณีส่วนใหญ่ ผู้ผลิตสามารถติดตามการเดินทางทั้งหมดของเฟรมได้ โดยย้อนกลับไปที่จุดกำเนิดของเส้นใยเส้นแรก ซึ่งเป็นเรื่องที่ควรคำนึงถึงในครั้งต่อไปที่คุณยืนอยู่และชื่นชมความภาคภูมิใจและความสุขของคุณ