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    暗黑魔法:深度解讀碳纖維車架的制造技術和工藝

    2021-05-14 09:55:34

    大家好,歡迎大家收看新一期的單車基械匠。

    可以說,現在自行車已經真正進入到了碳纖維時代,雖不敢說是物美價廉,但是相較于十年前,那已經是便宜了很多。不過,這并不影響那些被定位為高端的碳纖維自行車的售價。在不同的自行車品牌之間,廠商們總是喜歡用一些模糊的描述或者高端的術語來介紹自己的碳纖維材料和制造工藝。但是,如果你可以深入了解一下,你會發現他們所談論和宣傳的這些東西實際是非常類似的東西。不過,既便如此,Z終造出來的車架也是多種多樣的。

    這就像出色的大廚燒菜,原料只是決定產品的一部分。但如果你把相同的食材交給另外一名廚師,你吃到的菜品肯定是另一番風味。雖然它不會特別難吃,但是從口感和呈現方式上就會有明顯的不同。碳纖維的自行車車架也不例外,更詳盡的設計、測試,材料的正確選擇,如何鋪設,保證制造的一致性等等這些,都讓不同的品牌型號之間形成了差異,這其中也包括了價格

    那么,碳纖維是如何一步步變為車架的呢?在制造過程中會用到哪些技術和方法?有哪些問題是我們一直誤解的?如果大家使用的材料相同,為什么一個車架會比另外一個車架好呢?帶著你的疑問,繼續看……

    什么是碳纖維?

    在開始深入研究碳纖維車架是如何被制造之前,我們首先應該了解碳纖維車架的原材料。這其中還會解釋什么是廠家常說的3K,6K以及什么是高模量等專業術語。

    碳纖維車架 

    碳纖維作為聚合物,通過各種加熱步驟使其成為一個長串的碳原子。這些細長的碳絲的直徑一般為5-10微米,這比普通頭發絲還要細上10-20倍。然后把這些細長的碳絲匯聚在一起形成帶狀或者絲束以備使用。這個過程你可以理解為麻繩,將一根根碳絲變成一根碳繩,讓其強度更高更輕

    粗的是頭發,細的是碳纖維絲

    而每個絲束所使用的碳絲的數量,就是我們在自行車上Z常見到的計量單位了,通常都會以K(千)為單位。例如,由3000根碳絲構成的絲束被稱為3K,6000根組成的稱為6K,以此類推。單根碳纖維絲的強度和剛性實際上也是可以細化的,這就是我們常說的模量。通過更細化的加工,進一步讓每一根碳絲更光滑,更細。這些更細的碳絲可以更為緊密的連接在一起,從而增加整個絲束的剛性。不過,較高模量也會增加脆性,因為每一根絲都更細了。

    雖然模量是碳纖維車架在做營銷時經常用到的術語,不過這一術語并不是單位,并沒有被標準化,至少在我的了解中,在自行車行業上是這樣的。比如一個品牌聲稱的“高模量”材料實際上可能只相當于某品牌的“低模量”碳。不過,更重要的是這些碳纖維是如何被用在車架上的,那些車架絕不是使用單純的一種碳纖維材料來制造,而是不同模量混合搭配。

    從碳纖維到復合材料

    碳纖維絲束本身幾乎并沒有什么作用,這時候它們還只是干巴巴的,柔韌的原材料,只有把他們和其他材料混合在一起才會起作用。這也可以算作是一個誤解,更準確的說法是,我們的碳纖維車架是一種復合材料或者層壓材料。用于自行車的碳纖維原料必須被粘合在一起,通常使用的粘合劑為環氧樹脂,這一步就是把碳纖維轉化為復合材料,或者更具體的工程術語為:碳纖維增強聚合物(CFRP)。由于材料通常是分層,因此這些復合材料通常也被稱為層壓材料。

    對比碳纖維原料的輕量以及強度,樹脂在其中就會顯得更重更弱了。而復合材料在制造過程中的目標就是在盡可能少的使用樹脂材料的情況下來粘合碳纖維。這里就要提一下前邊說到的高模量碳纖維,因為碳絲之間的間隙更小,所以只需更少的樹脂材料就可以粘合,這也是高模量車架更輕的一個原因。

    有一些廠家會使用一些其他纖維材料來改良樹脂配方{例如添加玻璃纖維或者碳納米管(更細的碳絲)的環氧樹脂} 以改變成品的結構和性能。

    預浸碳通常以大卷的形式被運輸,到工廠后需要進行裁切在進行使用

    在我們Z??吹降奶祭w維車架制造過程的演示視頻中,經常出現的碳布,是大多數車架廠商Z常用的預浸漬碳布,也稱為預浸料。這是一種預先浸漬了樹脂,但是未固化的碳纖維板,背面襯有不粘襯紙,可以成卷運輸。這些材料平時被存儲在冰箱中,需要使用時被拿出進行加熱活化。這樣做的好處是可以保持樹脂在碳纖維上的均勻分布,可以更有效的把控品質,并減少制造的時間。

    單一方向排列的碳絲也被稱為UD碳布

    一般情況下,這些預浸料的碳絲都是單一方向(UD碳布),所有的纖維絲都平行排布。雖然可以提供單一方向上的強度和剛性,但是這會犧牲掉垂直交叉方向上的剛性和強度。另一種情況是絲束以十字交叉的方式被編制在一起,這可以讓材料在多個方向上具有相同的強度和剛性。

    這種單向的預浸料特性鮮明,更容易鋪設特定的角度,特別是對于一些復雜的車架位置或者相對負荷要求比較低的位置會更容易鋪設。比如頭管,坐管連接處,五通外殼以及水壺架和內走線孔的位置。這種碳布帶來的另一個好處就是粘合效果更好,不易分層,可以提供一定的損傷容忍度。

    雖然預浸料是自行車工業中Z常用到的材料,但是也并不是所有品牌都會使用。

    例如,Time會將 碳纖維絲束編織成他們所需要的碳管,過程有點像織襪子。然后再將碳管固定在模具中,并使用Time自己稱為樹脂傳遞模塑的工藝,在高壓下注入樹脂,Z后固化整個組件。

    但是,無論使用哪種方法制造,都要經過工程師權衡各項參數,確保在正確的位置和正確的方向上使用了正確類型的碳纖維和樹脂,才能保證車架的各項性能指標。例如車架的剛性,脆性,重量,耐用性,抗沖擊性,當然還有成本都必須考慮在內。但總的來說,碳纖維車架的設計是開放型的,如果做的好,碳纖維車架的使用壽命幾乎是無限的。

     

    設計過程概述

    設計車架絕非易事,所以在這里我們也只是簡單的概述一下。不論品牌和型號,這個過程都是十分復雜的,并且在不同的品牌之間的變化也很大。

    首先,大多數的碳纖維車架的開端都是一樣的,那就是首先要定義車架的用途,以及需求量。畢竟,你投入了大量的資金和人力,如果不能商業化,就無法收回成本并盈利。

    下一步,品牌會確定車架的長期標準??紤]到碳纖維車架制造已經很成熟,往往新型號都是在現有型號上的改版,而很少出現真正意義上的全新設計。這就是為什么你經常會看到品牌迭代更新一些現有車架的新型號,而不會去大規模重新設計一款新車架的原因。這個過程是吸取經驗和教訓的過程,也是碳纖維使用中不斷發展的原動力。

    3D FEA允許在產品原型出現之前對數百種設計進行虛擬測試

    碳纖維車架的另一個進步要歸結于更加一致控制。盡管這些年碳纖維的等級得到了提升,但是更為重要的是壓實和成型的技術已經超過了僅從材料中獲得理論數值。壓實更為均勻可以減少缺陷產生的幾率,并提高結構性能。而更為一致的層合板結構和更優化車架的疊層,可以制造出重量更輕,強度更高,更耐疲勞的車架,而不用像以前那樣需要更多的材料來提高容錯率。

    當以上設計概念被敲定以后,數字模型就開始發揮重要作用。一般會以一種或者幾種方式進行設計,包括3D FEA、CFD(計算機流體力學,用于空氣方面的設計和測試)。有時候在這一階段還會確定在建造過程中車架從何處斷開裝配,使用什么材料制造,如何預成型以及制造工具的大致方向等等

    一般在初期階段,如果去完全制造一輛可以測試的原型車是很貴的,而且很費時。有些品牌會通過3D打印的方式制造配件來測試組裝效果,美觀程度和計算制造方式。

    計算機輔助設計大大的縮短了設計周期,并且可以讓你預先大致了解到車架的所有相關性能。一旦進行到這一步,模具設計和制造就可以開始了,層疊手冊(每一塊碳布的具體位置)也會被創建好。

    下邊來介紹幾種碳纖維車架制造的方法:

    單體結構

    單體結構經常被用來作為碳纖維車架的技術術語出現在宣傳中,從名稱上可以得知,它就是通過單體結構來處理車架的載荷和應力。不過,實際上真正的單體結構的公路車是極為罕見的,通常廠商所宣傳的單體結構大多只是一個單體的前三角結構,而后上叉和后下叉,甚至是中管則是被分開生產的,Z后被組裝在一起。所以,這一類的車架更準確的應該叫做半單體結構或者模塊化單體結構。這目前也是自行車行業中Z為常見的技術。

    預浸碳根據層疊手冊的要求被切割出各種形狀

    但是,不管這個術語是否正確,這一步都需要把大塊的預浸碳切割成單獨的碎塊,每一塊在模具上都會有其特定的區域和方向。通常,這些碳布的具體選擇,位置,方向都會被標注在層疊手冊中。你可以把它想象成一個拼圖,每一塊碳布上都有編號。

    每一塊被切割的預浸碳都有編號和固定的粘合位置

    你一定聽到有人給你說過,碳纖維的成本很低,甚至你在購物網站上也可以找到碳纖維和樹脂材料,而且確實不貴。不過事實是,碳纖維的這種分層過程確實非常的費時和昂貴。一個車架主體就會需要幾塊這樣的預浸碳,并且需要按照工程師提供的層疊手冊,按特定順序小心的手工鋪設好。

    對于復雜的部分,需要提前在較小的模具中預制成型,Z后在放入大的模具中

    對于一些比較復雜的部件,例如頭管,一般都會先在預成型部件上粘合碳布,然后再把其移動到主模具中構成整體。模具通常由鋼或者鋁來制造,并且可以重復使用。模具的具體型號決定了車架的外表和形狀。

    有時候Z小的部件可能是Z費時的,上圖是一個前叉的角鐵

    不過,外表只是車架的一部分,碳纖維車架的內部也需要獲得壓力,以確保碳層之間不會存在空隙。這其中會使用到各種技術:氣囊是Z常用的技術,通常會被留在車架內部。其他還包括可融化的泡沫或者蠟芯;柔性硅膠材料,甚至有些是更為結實的內芯,塑料或者是金屬。

    在一些高端車架被大批量制造時,半固化的車架圍繞一個帶有網狀物的沖氣囊被放置在模具的一側,一旦所有都被放置完成,另一半模具就會被固定在上方并被固定好。

    之后模具會被用真空袋完全密封并進行抽真空的操作。在這個過程中需要對零件施加一定的溫度,在固化之前盡可能多的抽出空氣。這個過程中,加熱可以讓樹脂更均勻地流動,同時內部的氣囊會讓碳層壓的更為緊實,消除掉內部的空氣和縫隙同時還能去除多余的樹脂。

    剛剛從模具中取出的裸架,等待下一道工序

    等待組裝的后下叉

    當車架固化后就會從模具中取出,并從中取出預制件和氣囊。然后,包括角鐵和后上叉和后下叉等部件就可以開始粘合在車架上了。結合的部分用碳布再次進行包裹,以提供額外的結構支撐和光滑的表面。組裝過程需要在夾具上進行以確保所有配件都完美對齊。

    現在整體看起來這就像一個車架的樣子了,之后要進行的就是打磨和噴漆了??偠灾?,一個碳纖維車架從碳絲到成為一個可以使用的碳架,需要漫長的時間。

    對于單殼體結構來說,它可以生長出強大而輕量的產品,所使用的材料也是Z少的。加上碳纖維的機械性能可以精密控制,所以單殼體結構經常成為一些高剛性重量比車架的。例如巴林美利達車隊的斯特拉就采用了模塊化單殼體技術來制造,其他的車型也都是如此。

    然而,單殼體結構的制造成本高,而且靈活性也比較差。正如上邊所說,制造過程時間長,而且需要大量的人力和財力的投入,這也是很多碳纖維自行車制造業會尋找勞動密集型國家建廠的原因。另一個原因就是每個車架都需要一個特定的模具,假如一個車架具有12個尺寸,甚至再有兩到三種前叉尺寸的話,那么這其中得模具費用也是可想而知了。

    也正是出于這些原因,對于一些小品牌和定制碳纖維品牌來說,這種操作性是難以接受的。而即使是大的品牌,車架設計的周期也都會在兩年或者三年,以便可以有更長的時間來收回成本。

    管對管技術

    對于定制碳纖維車架來說,想要開發一種符合市場需求和定價的單殼體車架是很困難的,原因上邊我們剛提到過,所以他們就轉向了另一種制造方法,管對管技術。從概念上來看,這和鋼架、鈦架、鋁架的焊接并沒有什么不同。

    來自Tsubasa的管對管技術的車架

    在制造過程中,車架上的每一根碳管都是被單獨生產的,有時候也會來自于一些碳纖維管制造商。這種方法大大的降低了車架制造的門檻,又可以控制車架幾何角度,剛性和騎行體驗。碳纖維管的選擇決定車架的性能屬性,而碳纖維管的長度決定車架的幾何角度。也是使用的管對管技術制造

    被切割的碳纖維管被放置在夾具上進行鏈接。一般碳纖維管的接口都會插入另一根碳纖維管內,外部用預浸碳進行纏繞加固。一些更先進的工藝會將車架放入真空袋內或者柔性或者剛性的磨具內進行壓實,而有些車商則直接等樹脂固化后就直接開始進行下一步準備。

    這種方法對于自定義車架幾何角度非??旖?,但是這是一個需要熟練操作來保證車架安全的技術。另外,該方法中碳纖維和樹脂材料的冗余量相較于單殼體技術也會更高。

    套管(Lugged)技術

    和上邊的管對管技術非常相似,碳管通過套管進行連接Z終成為一個車架。和管對管不同的是,直接插入另一根碳管的設計被套管頭所替代,通過預先生產各種規格的套管,并和碳管粘合組成車架。這和鋼架的lug銅焊看起來十分類似。

    梅花C60車架,套管也由碳纖維制造

    一般,這種結構的車架上的套管也是由碳纖維制造,比如梅花的C60車架,但是也并非都是如此。和管對管一樣,套管結構的車架可以更為靈活的控制幾何角度,僅需要制造不同的套管就可以實現。

    3D打印的鈦合金五通

    套管采用鈦合金3D打印,其他部分為碳纖維管

    Z近的一個比較高科技的例子是澳大利亞的Bastion使用3D打印技術打印了鈦材料的各種套管,以實現不同客戶對不同幾何角度的需求。更早一些的例子比如早期的BMC Teammachine(Tyler Hamilton在Phonak上使用的那輛),使用了帶有鋁合金套管的碳纖維車架。更早一些的例子還有trek的2300車架,大量的使用了套管技術。

    BMC早期的Teammachine的套管由鋁合金制造

    trek的2300套管車架也同樣適用鋁合金套管加碳纖維的方法制造

    不過,就像上邊說到的管對管一樣,套管碳纖維車架固有的比單殼體結構具有更多的材料重疊,因此在剛性-重量比上也更低一些。

    別說是做一個,就是像我這樣簡單描述一遍都是需要大量的時間的。而且直到現在,碳纖維車架依然還是需要人來親自上手制造的。從長遠來看,這些年碳纖維自行車制造的變化并不大。但是,如果再深入一些了解,你就會發現在質量控制和工藝改進上,已經有了長足的進步。不管一個碳纖維車架是什么樣子,但是可以肯定的是,它的性能遠不止于你所看到的。魔鬼在細節里,特別是在創造如此輕巧,強大,舒適和安全的東西的時候。

    好了,今天的內容就到這里,我們下期再見,單車基械匠,每天給您帶來更多新奇,好玩,有趣,實用的單車知識。

     

     

     碳纖維車架


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