يحب المصنعون التباهي حول وضع ألياف الكربون ، لذلك قرر راكب الدراجة أن يستقصي ما يعنيه هذا وكيف يؤثر على الأداء
الدراجة ، من نافلة القول ، هي أفضل هدية عيد الميلاد على الإطلاق ، ولكن مع استثناء محتمل لجرو ، فهي أيضًا الأصعب في لفها. لذا ، أشعر بالأسف لمصمم الإطار الفقير الذي يتعين عليه التفاف وثني الكربون حول منحنياته المعقدة بحيث يوفر الإطار ، عند خبزه وإنهائه ، الشعور بالرغبة في الركوب. بناء إطار من ألياف الكربون عبارة عن لغز ثلاثي الأبعاد معقد يتفوق على مكعب روبيك.
يكمن جمال الكربون في أنه ، على عكس المعدن ، يمكن وضع عدة قطع في طبقات بدرجات متفاوتة من التقاطع والتداخل لمنح تحكم صارم للغاية في سمات الأداء والقوة المطلوبة في أي نقطة معينة من إطار الدراجة.الجانب السلبي هو أن الكربون متباين الخواص - فهو أقوى في اتجاه واحد من الآخر بطريقة مماثلة للخشب - مما يعني أن القوة تعتمد على اتجاه الألياف. لكي يحمل الكربون أحمالًا كبيرة ، يجب توجيه القوى على طول أليافه ، مما يجعل اتجاه الألياف أمرًا بالغ الأهمية. تعاني الأقسام المكونة لإطار الدراجة من قوى في عدة اتجاهات ، مما يعني أن ألياف الكربون يجب أن تعمل في اتجاهات عديدة أيضًا. هذا هو السبب في أن الطبقات المختلفة لها أليافها في زوايا مختلفة ، عادةً 0 درجة (في الخط) ، + 45 درجة ، -45 درجة ، + 90 درجة و -90 درجة ، وبالفعل أي زاوية يختارها المصممون إذا كانت ستخلق السمات المرغوبة
في الأعماق
هكذا هو الحال بالنسبة لجميع إطارات الكربون. يوجد أسفل الأجزاء الخارجية اللامعة العديد من طبقات قطع ألياف الكربون التي تم التخطيط بعناية لصلابتها ونقاط قوتها وأشكالها ومواضعها واتجاهاتها ، وعادةً ما يتم ذلك من خلال مجموعة من حزم برامج الكمبيوتر وخبرة المهندسين.يُعرف هذا بجدول الانتظار ، أو مجرد الترتيب. عند اكتمال بانوراما الكربون ، يجب أن تكون الدراجة خفيفة وسريعة الاستجابة وفعالة من حيث التكلفة وقادرة على تحمل أشد قوى ركوب الدراجات.
يقول البروفيسور دان آدامز ، مدير مختبر ميكانيكا المركبات في جامعة يوتا في سولت ليك سيتي ، وهو نفسه دراج متحمس وشارك في تطوير أول إطارات الكربون في Trek ، إن بناء أي شيء من الكربون هو كل شيء حول جدول الترتيب الصحيح. يقول: "إنه يحدد اتجاه الطبقات الفردية أو طبقات التقوية الأولية للكربون / الإيبوكسي ، المكدسة للحصول على سمك الجزء النهائي". "بعض أجزاء الإطار أسهل في التركيب من غيرها. الأنابيب بسيطة نسبيًا ، لكن التقاطعات بينها هي بعض من أكثر مجموعات الطبقات تعقيدًا التي ستراها في أجزاء الإنتاج في أي صناعة تستخدم الكربون هيكليًا ، بما في ذلك الفضاء والسيارات.
طبيعة الكربون متباينة الخواص تجعل أيضًا اختيار الكربون المناسب أمرًا بالغ الأهمية.في أبسط صوره ، هناك طريقتان لتزويد الكربون. أحادي الاتجاه (UD) لديه جميع ألياف الكربون تعمل في اتجاه واحد ، بالتوازي مع بعضها البعض. بديل UD هو القماش المنسوج أو "القماش". يحتوي على ألياف تعمل في اتجاهين ، تسير تحت بعضها البعض بزاوية قائمة لإعطاء المظهر الكلاسيكي لألياف الكربون. في أبسط نسيج ، المعروف باسم النسج العادي ، يتم ربط الألياف أسفل وفرة عند كل تقاطع (يسمى "1/1") لإنتاج نمط يشبه الشبكة. هناك العديد من أنماط النسج الأخرى الممكنة. نسيج قطني طويل (2/2) أكثر مرونة قليلاً بحيث يسهل ثنيه ويمكن التعرف عليه بسهولة من خلال نمطه القطري الذي يشبه الشيفرون.
المعامل (مقياس المرونة) للألياف أساسي أيضًا لطريقة معينة. يحدد المعامل مدى صلابة الألياف. تعتبر الألياف المعيارية القياسية المصنفة 265 جيجا باسكال (GPa) أقل صلابة من الألياف المعيارية الوسيطة المصنفة عند 320GPa.مطلوب أقل من كربون معامل أعلى لصنع مكونات من نفس الصلابة ، مما ينتج عنه منتج أخف. لذلك قد يبدو أن الألياف ذات المعامل العالي هي الخيار المفضل ، ولكن هناك مشكلة. يمكن إجراء القياس بشريط مطاطي مقابل قطعة من السباغيتي. الشريط المطاطي مرن للغاية (ذو معامل منخفض) ويمكن ثنيه بقوة قليلة جدًا ولكنه لن ينكسر ، بالإضافة إلى أنه سيعود إلى شكله الأصلي بعد الانحناء. من ناحية أخرى ، فإن السباغيتي شديدة الصلابة (معامل مرتفع) لذا فهي تقاوم التشوه إلى حد ما ، ثم تنكسر ببساطة. غالبًا ما تتباهى أقسام التسويق بإدراج معامل ألياف معين في أحدث تصميم للإطار ، ولكن في معظم الحالات ، يكون إطار الدراجة عبارة عن توازن دقيق لعدة أنواع من المعامل داخل الهيكل لتقديم مزيج مرغوب فيه من الصلابة والمتانة والمرونة
هناك متغير آخر يجب مراعاته. خصلة واحدة من ألياف الكربون رقيقة للغاية - أرفع بكثير من شعرة الإنسان ، لذلك يتم تجميعها معًا لتشكيل ما يسمى "السحب".بالنسبة للدراجات ، يمكن أن يحتوي السحب على أي شيء يتراوح بين 1000 و 12000 خيط ، على الرغم من أن 3000 (مكتوب كـ 3K) هو الأكثر شيوعًا.
الألياف هذه ، الألياف التي
هذه هي الأساسيات ، لكن إنشاء وضع غير رسمي يصبح معقدًا. يقول الدكتور بيتر جيدينجز ، مهندس الأبحاث في المركز الوطني للمركبات ، بريستول ، الذي لديه عملت مع الدراجات وتسابقت معهم لسنوات عديدة. الألياف أحادية الاتجاه ، من الناحية النظرية على الأقل ، هي الخيار الأفضل لذلك. تتميز مواد UD بزيادة نسبة الصلابة إلى الوزن في اتجاه الألياف. لسوء الحظ ، تكون مركبات UD أكثر عرضة للتلف ، وبمجرد تلفها ، من المرجح أن تفشل أكثر من الأقمشة المنسوجة.
لبناء إطار حصريًا من طبقات الكربون UD من شأنه أن يخلق دراجة هشة بشكل خطير ، ناهيك عن كونها باهظة الثمن بسبب المواد وتكاليف ساعة العمل.ومن ثم ، فإن الكربون المنسوج هو الخيار الواضح لأي مناطق توجد بها منحنيات ضيقة وأشكال مفاصل معقدة. علاوة على ذلك ، يحب الناس مظهره. يقول جيدينجز: "من الناحية الجمالية ، تُعتبر المواد المنسوجة أفضل من المواد أحادية الاتجاه وتصور الجمهور للمركب هو نسيج منسوج". "في الواقع ، يرسم العديد من المصنّعين [وبالتالي يخفون] المناطق التي يمنع فيها بناء الإطار مظهرًا ناعمًا ومنسوجًا."
يجب أيضًا مراعاة سهولة التصنيع في جدول الإعداد لمراعاة تكاليف العمالة. بالنسبة للمفاصل والأشكال المعقدة ، سيستغرق الأمر وقتًا أطول لإنشاء الترتيب المثالي باستخدام ألياف UD. وهذا سبب آخر يجعل الأقمشة المنسوجة هي الخيار المفضل لمعظم مصنعي الدراجات الكربونية. يقول Giddings: "القماش المنسوج أسهل في العمل به من UD ويتطلب مهارة أقل لملاءمته مع الشكل المطلوب". "UD لديه ميل للانقسام أو الالتواء حول الأشكال المعقدة. تتوافق الأقمشة المنسوجة بشكل غير محكم بسهولة أكبر وتتأثر القوة الكلية للهيكل بشكل أقل بعيوب التصنيع الطفيفة."
من المرجح أن يختار المصنّعون وضعًا مع الكربون المنسوج في أكثر المناطق تعقيدًا ، مثل الدعامة السفلية وتقاطعات أنبوب الرأس ، ولكن لا يزال الأمر غير بسيط كما يبدو نظرًا لوجود عامل آخر يجب مراعاته. يقول بول ريمي ، مهندس دراجات في سكوت سبورتس: "تريد الحفاظ على استمرارية اتجاه الألياف ليس فقط حول التقاطعات ، ولكن من خلالها وما بعدها". "يمكن أن يكون هناك انحناءات معقدة عند تقاطع مثل القوس السفلي لذلك عليك التفكير في طريقة لمواصلة اتجاه الألياف ، لنقل التحميل من خلالها."
هنا يشعر مهندسو الإطارات مثل ريمي بالامتنان للمساعدة في علوم الكمبيوتر. في الماضي ، كانت الطريقة الوحيدة لمعرفة كيف يمكن أن تؤثر تعديلات الجدول الزمني المختلفة على النتيجة النهائية كانت بناء نماذج أولية واختبارها ، ولكن الآن يمكن اختبار جدول التخطيط بدرجة عالية جدًا من الدقة بواسطة أجهزة الكمبيوتر قبل لقد لامست خصلة واحدة من الألياف في قالب إطار.
"في السابق كان من الصعب حقًا معرفة تأثير تغيير جزء واحد فقط من الوضع على أداء الإطار" ، كما يقول ريمي.
بوب بارلي ، مؤسس Parlee Cycles ومقرها ماساتشوستس ، يتذكر تلك الأيام الخوالي قبل أن تقوم أجهزة الكمبيوتر بكل عدد الطحن باعتزاز إلى حد ما: `` إذا كنت تفهم الأحمال على هيكل الجمالون مثل الإطار ، فإن عمليات الاستغناء تكون واضحة ومباشرة ، لذلك يمكنني في البداية أن أعمل عليها بنفسي. يقول: "في الأصل لم أكن لأضع ثقوبًا في أنابيب الإطار [لنقاط دخول الكابلات أو حوامل قفص الزجاجات] لأنها كانت نقاط ضعف محتملة ، ولكن الآن يخبرنا FEA ما يجب فعله لتعزيز هذا الثقب".
تسمح زيادة قوة الحوسبة جنبًا إلى جنب مع البرامج الأكثر تعقيدًا للمهندسين بتحليل العديد من النماذج الافتراضية في وقت قصير ودفع حدود التصميم والمواد.وفقًا لمهندس التصميم المتخصص كريس ميرتنز ، "التكرار هو اسم اللعبة. تنشئ أدوات FEA نموذجًا تمثيليًا للإطار والهدف هو الحصول على كل الألياف في الاعتبار. يسمح لي البرنامج بتصميم كل طبقة ، بناءً على نموذج تحسين لحالات التحميل الـ 17 التي لدينا لإطار نموذج."
ما يعنيه هذا هو أن البرنامج يوجه Meertens إلى مقدار الكربون الذي يجب أن يكون في كل منطقة من الإطار ، والتوجيه الأمثل للألياف. ومع ذلك ، فإن المهارة تكمن في معرفة ما هو ممكن وما هو غير ممكن مع وضع الكربون. أحيانًا يبث الكمبيوتر مُثلًا بعيدة كل البعد عن المثالية. يقول ميرتنز: "معظم الوقت أنظر إليه وأقول ،" لا توجد طريقة يمكننا القيام بذلك ". "لذا فأنا مشغول ببرنامج اللف المصفح لقص الطبقات الافتراضية وتثبيتها على مغزل افتراضي ، معتمداً على جدوى التصنيع والتحسينات الصفائحية."
حتى باستخدام برامج الكمبيوتر ، قد يستغرق هذا الأمر أيامًا لفك الشفرة ، ولا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يتم تحديد الوضع النهائي أخيرًا.أحد الجوانب التي يكون فيها العنصر البشري ضروريًا هو التأكد من استخدام درجة الألياف الصحيحة في المكان المناسب. يقول Meertens ، "الألياف ذات درجة الصفر هي صلبة جدًا ولكنها لا تتمتع بقوة تأثير جيدة ، لذا ، للحفاظ على تحمل الضرر المركب ، علينا تجنب وضع الكثير في أماكن مثل قاع الأنبوب السفلي. سأعرف في هذه المرحلة ما هي الأشكال التي أحتاجها ، لكنني الآن أريد أن أعرف عدد كل طبقة. لذلك قمت بتشغيل برنامج تحسين آخر يخبرني بمدى سمكها - بشكل أساسي عدد الطبقات. ستحلل في أي مكان من 30 إلى 50 مجموعة من الطبقات. سنجري خلال دورة اللف الافتراضي والتحسين أربع أو خمس مرات ، ونقوم بضبط الطبقات أكثر قليلاً في كل مرة. لكن في وقت ما نحتاج إلى الضغط على "Go" وإرساله.
الدليل النهائي
يشبه الجدول الزمني للتخطيط خريطة ثلاثية الأبعاد ، توضح بالتفصيل كل قطعة من الكربون المشكل في كل طبقة. يقول ميرتنز: "الإطار مقسم إلى تسع مناطق: دعامتان للمقعد ، دعامتان متسلسلتان ، قوس سفلي ، مقعد ، أنابيب علوية ، رأس وأسفل"."نحدد المسند ، وهو محور ، لكل منطقة. ثم يرتبط اتجاه كل قطعة من الكربون في منطقة ما بهذا الإسناد. قد يحتوي الأنبوب السفلي على طبقات عند 45 درجة و 30 درجة و 0 درجة بالنسبة للمرجع المحلي. بشكل عام ، يتم استخدام المادة ذات القوة العالية خارج المحور بزاوية. مادة المعامل الأعلى التي نستخدمها محوريًا ، عند 0 درجة."
يمكن أن يصل حجم الملف الناتج إلى 100 ميغا بايت ويتم تمريره في النهاية إلى أرضية المصنع. يتلقى كل عامل في المصنع فقط الجزء المتعلق بجزء الإطار المسؤول عن إنشائه. لا يزال هذا ليس التشغيل النهائي للإنتاج. يعد الإطار المدمج نموذجًا أوليًا في هذه المرحلة ويحتاج إلى اختباره لضمان نتائج التصميم المصممة رقميًا في إطار يعمل في الممارسة العملية. يكشف الفحص بالموجات فوق الصوتية والأشعة السينية والتشريح المادي عن سماكة الصفائح. في مكان آخر ، سيتم حرق مصفوفة الراتينج للكشف عن جودة التصفيح وما إذا كانت المواد أو الألياف قد هاجرت. يجب أن تظهر اختبارات الانحناء نفس نتائج تحليل FEA.لكن في النهاية ، فإن الإنسان هو من يخرجها على الطريق.
يقول بوب بارلي: "ركوب الدراجة هو الطريقة الوحيدة التي يمكننا من خلالها قياسها حقًا". "يمكننا إجراء اختبارات الانحناء والتحميل ولكننا بحاجة إلى الخروج وركوبها لمعرفة ما إذا كانت تؤدي كما نريد." عندما يتجاوز النموذج ، يتم منح الإنتاج الضوء الأخضر أخيرًا.
يحدث معظم إنتاج الدراجات في الشرق الأقصى ، وهذا يعطي أهمية أكبر لجدول التشغيل. يجب أن تضمن الخطة التفصيلية الدقيقة ، إذا اتبعت حرفياً ، أن المنتجات التي تخرج من تلك المصانع الكبيرة هي توأمات متطابقة لتلك التي تم اختبارها وتمريرها في مرحلة النموذج الأولي النهائي. بالطبع ، تختبر معظم العلامات التجارية إطارات الإنتاج وتعيد اختبارها باستمرار لضمان الاتساق بحيث تلبي الدراجات التي تصل إلى المتاجر توقعات العملاء. في معظم الحالات ، يمكن للشركات المصنّعة أيضًا تتبع الرحلة الكاملة للإطار ، والعودة مباشرة إلى أصول خيوط الألياف الأولى. وهو شيء يجب التفكير فيه في المرة القادمة التي تقف فيها وتعجب بفخرك وسعادتك.
