Watengenezaji wanapenda kujivunia kuhusu uwekaji nyuzinyuzi kaboni, kwa hivyo Cyclist aliamua kuchunguza maana ya hii na jinsi inavyoathiri utendakazi
Baiskeli, bila shaka, ndiyo zawadi bora zaidi ya Krismasi kuwahi kutokea, lakini isipokuwa mtoto wa mbwa, ni ngumu zaidi kuifunga. Mhurumie sana mbunifu duni wa fremu ambaye lazima azunguke na kuzungusha kaboni kwenye mikondo yake changamano hivi kwamba, inapooka na kumalizika, fremu hiyo itatoa hisia inayohitajika ya safari. Uundaji wa fremu ya nyuzi kaboni ni fumbo changamano cha 3D inayofunika Mchemraba wa Rubik.
Uzuri wa kaboni ni kwamba, tofauti na chuma, vipande vingi vinaweza kuwekwa katika viwango tofauti vya makutano na kuingiliana ili kutoa udhibiti mkali juu ya sifa za utendakazi na nguvu zinazohitajika katika sehemu yoyote mahususi ya fremu ya baiskeli. Upande mbaya ni kwamba kaboni ni anisotropic - ina nguvu katika mwelekeo mmoja kuliko mwingine kwa njia sawa na kuni - ambayo ina maana nguvu inategemea mwelekeo wa nyuzi. Ili kaboni kubeba mizigo muhimu nguvu lazima zielekezwe kwenye nyuzi zake, ambayo hufanya mwelekeo wa nyuzi kuwa muhimu kabisa. Sehemu kuu za fremu ya baiskeli hupitia nguvu katika pande kadhaa, kumaanisha kwamba nyuzi za kaboni lazima ziendeshe pande kadhaa pia. Ndio maana tabaka tofauti huwa na nyuzi zake kwa pembe tofauti, kwa kawaida 0° (katika mstari), +45°, -45°, +90° na -90°, na kwa hakika pembe yoyote iliyochaguliwa na wabunifu ikiwa itaunda sifa zinazohitajika..
Katika vilindi
Hivyo ndivyo inavyokuwa kwa fremu zote za kaboni. Chini ya nje yenye kung'aa kuna tabaka nyingi za vipande vya nyuzi za kaboni ambazo ugumu wake, nguvu, maumbo, saizi, nafasi na mielekeo imepangwa kwa uchungu, kwa kawaida na mchanganyiko wa vifurushi vya programu za kompyuta na utaalamu wa wahandisi. Hii inajulikana kama ratiba ya upangaji, au upangaji tu. Jigsaw ya kaboni inapokamilika ni lazima baiskeli iwe nyepesi, iitikie, ya gharama nafuu na iweze kustahimili hali mbaya zaidi za kuendesha baiskeli.
Profesa Dan Adams, mkurugenzi wa maabara ya mekaniki ya composites katika Chuo Kikuu cha Utah huko S alt Lake City, yeye mwenyewe mwendesha baiskeli mahiri na ambaye alihusika na utengenezaji wa fremu za kwanza za kaboni za Trek, anasema kuwa kuunda chochote kutoka kwa kaboni ni yote. kuhusu ratiba sahihi ya upangaji. 'Inabainisha uelekeo wa nyundo au tabaka za kaboni/epoxy prepreg, zikiwa zimerundikwa ili kufanya sehemu ya mwisho iwe unene,' anasema. 'Sehemu zingine za fremu ni rahisi kuweka kuliko zingine. Mirija hiyo ni rahisi kiasi lakini miunganiko kati yake ni baadhi ya mipangilio changamano zaidi ya upangaji wa miundo unayoweza kuona katika sehemu za uzalishaji katika tasnia yoyote inayotumia kaboni kimuundo, ikijumuisha anga na gari.’
Asili ya anisotropiki ya kaboni pia hufanya kuchagua kaboni inayofaa kuwa muhimu. Kwa rahisi zaidi, kuna njia mbili ambazo kaboni hutolewa. Unidirectional (UD) ina nyuzi zote za kaboni zinazoendesha katika mwelekeo mmoja, sambamba na nyingine. Njia mbadala ya UD ni kitambaa kilichofumwa, au 'kitambaa'. Ina nyuzi zinazotembea pande mbili, zikienda chini na juu ya nyingine kwenye pembe za kulia ili kutoa mwonekano wa kawaida wa nyuzi za kaboni. Katika kitambaa rahisi zaidi, kinachojulikana kama weave wazi, nyuzi hufunga chini na juu katika kila kivuko (kinachoitwa '1/1') ili kutoa muundo unaofanana na gridi ya taifa. Kuna mifumo mingine mingi ya weave inayowezekana. Twill (2/2) ni huru kidogo kwa hivyo ni rahisi kujikunja na kutambulika kwa urahisi kwa muundo wake wa mlalo, unaofanana na chevroni.
Moduli (kipimo cha unyuzi) cha nyuzinyuzi pia ni muhimu kwa mpangilio fulani. Modulus inafafanua jinsi nyuzinyuzi ilivyo ngumu. Uzito wa moduli wa kawaida, uliokadiriwa kuwa gigapascals 265 (GPa) ni gumu kidogo kuliko nyuzi za moduli za kati zilizokadiriwa kuwa 320GPa. Chini ya kaboni ya moduli ya juu inahitajika kufanya vipengele vya ugumu sawa, ambayo husababisha bidhaa nyepesi. Kwa hivyo, nyuzi za moduli za juu zinaweza kuonekana kama chaguo bora, lakini kuna samaki. Mfano unaweza kufanywa na bendi ya mpira dhidi ya kipande cha tambi. Mkanda wa mpira ni elastic sana (una moduli ya chini) na unaweza kunyumbulika kwa nguvu kidogo sana lakini hautavunjika, pamoja na kwamba itarudi kwenye umbo lake la asili baada ya kuinama. Spaghetti, kwa upande mwingine, ni ngumu sana (modulus ya juu) hivyo itapinga deformation kwa uhakika, na kisha kuvunja tu. Idara za uuzaji mara nyingi hujivunia juu ya kuingizwa kwa moduli fulani ya nyuzi katika muundo wa hivi karibuni wa fremu, lakini katika hali nyingi fremu ya baiskeli ni usawa wa uangalifu wa aina kadhaa za moduli ndani ya mpangilio ili kutoa mchanganyiko unaohitajika wa ugumu, uimara na kubadilika..
Kuna kigezo kimoja zaidi cha kuzingatia. Uzi mmoja wa nyuzi za kaboni ni nyembamba sana - nyembamba sana kuliko nywele za binadamu, kwa hivyo zimeunganishwa pamoja ili kuunda kile kinachoitwa 'kuvuta'. Kwa baiskeli, tow inaweza kuwa na kitu chochote kati ya nyuzi 1, 000 na 12,000, ingawa nyuzi 3,000 (zilizoandikwa kama 3K) ndizo zinazojulikana zaidi.
Fibre this, fiber that
Hiyo ndiyo mambo ya msingi, lakini kuunda mpangilio inakuwa ngumu. 'Kwa mtazamo safi wa nguvu na ukakamavu, mchanganyiko bora ungekuwa na kiwango cha juu zaidi cha nyuzinyuzi za resin iwezekanavyo na zisizopinda sana kwenye nyuzi,' asema Dk Peter Giddings, mhandisi wa utafiti katika Kituo cha Kitaifa cha Composites, Bristol, ambaye kazi na baiskeli na mbio nao kwa miaka mingi. 'Nyuzi za unidirectional, kinadharia angalau, ni chaguo bora kwa hili. Nyenzo za UD zina uwiano ulioongezeka wa ugumu-kwa-uzito katika mwelekeo wa nyuzi. Kwa bahati mbaya composites za UD huathirika zaidi na, pindi zinapoharibika, kuna uwezekano mkubwa wa kushindwa kufanya kazi kuliko vitambaa vilivyofumwa.’
Kuunda fremu pekee kutoka kwa tabaka za kaboni za UD kunaweza kuunda baiskeli ambayo ilikuwa dhoofu kwa hatari, bila kutaja bei ghali kutokana na nyenzo na gharama za saa za kazi. Kwa hivyo kaboni iliyofumwa hutawala na ndio chaguo dhahiri kwa maeneo yoyote ambayo kuna mikondo migumu na maumbo changamano ya pamoja. Zaidi ya hayo, watu wanapenda kuonekana kwake. 'Kwa urembo, nyenzo zilizofumwa huchukuliwa kuwa bora zaidi kuliko nyenzo zisizoelekezwa moja kwa moja na maoni ya umma kuhusu mchanganyiko ni kitambaa kilichofumwa,' anasema Giddings. ‘Kwa kweli, watengenezaji wengi hupaka rangi [kwa hivyo kuficha] maeneo ambapo ujenzi wa fremu huzuia mwonekano laini, uliofumwa.’
Urahisi wa kutengeneza pia lazima uzingatiwe katika ratiba ya kupanga ili kuzingatia gharama za wafanyikazi. Kwa viungo tata na maumbo itachukua muda mrefu zaidi kuunda upangaji bora na nyuzi za UD. Ni sababu nyingine kwa nini vitambaa vya kusuka ni chaguo linalopendekezwa la wazalishaji wengi wa baiskeli za kaboni. 'Kitambaa kilichofumwa ni rahisi kufanya kazi nacho kuliko UD na kinahitaji ujuzi mdogo ili kukiweka kwenye umbo linalohitajika,' anasema Giddings. 'UD ina tabia ya kugawanyika au kuzunguka maumbo changamano. Vitambaa vilivyofumwa kwa urahisi vinalingana kwa urahisi zaidi na nguvu ya jumla ya muundo huathiriwa kidogo na kasoro ndogo za utengenezaji.‘
Watengenezaji wana uwezekano wa kuchagua kupanga kwa kutumia kaboni iliyofumwa katika maeneo changamano zaidi, kama vile mabano ya chini na makutano ya mirija ya kichwa, lakini bado si rahisi kama inavyosikika kwa sababu kuna jambo lingine la kuzingatia. 'Unataka kudumisha mwendelezo wa mwelekeo wa nyuzi sio tu karibu na makutano, lakini kupitia na zaidi yao,' anasema Paul Remy, mhandisi wa baiskeli katika Scott Sports. ‘Kunaweza kuwa na mipindo changamano kwenye makutano kama vile mabano ya chini kwa hivyo unapaswa kufikiria njia ya kuendeleza mwelekeo wa nyuzi, ili kuhamisha upakiaji kote kote.’
Ni hapa ambapo wahandisi wa fremu kama vile Remy wanashukuru kwa usaidizi wa sayansi ya kompyuta. Hapo awali njia pekee ya kujua jinsi mabadiliko mbalimbali ya ratiba ya upangaji yanavyoweza kuathiri matokeo ya mwisho ilikuwa kujenga na kupima prototypes nyingi, lakini sasa ratiba ya upangaji inaweza kujaribiwa kwa kiwango cha juu sana cha usahihi na kompyuta kabla ya uzi mmoja wa nyuzi umeguswa chini kwenye ukungu wa fremu.
‘Hapo awali ilikuwa vigumu kujua ni athari gani kubadilisha sehemu moja tu ya mpangilio kungekuwa na utendakazi wa fremu,’ anasema Remy.
Bob Parlee, mwanzilishi wa Parlee Cycles yenye makao yake Massachusetts, anakumbuka siku zile za zamani kabla ya kompyuta kufanya nambari zote kwa furaha: 'Ikiwa unaelewa mizigo kwenye muundo wa truss kama vile fremu, uwekaji ni rahisi., ili mwanzoni ningeweza kuzitatua mwenyewe kichwani mwangu.' Parlee tangu wakati huo amekubali uchanganuzi wa vipengele vya kompyuta (FEA) una nafasi yake. ‘Hapo awali nisingeweka mashimo kwenye mirija ya fremu [kwa ajili ya sehemu za kuingilia kebo au vifunga vya chupa] kwa sababu yangeweza kuwa sehemu dhaifu, lakini sasa FEA inatuambia nini cha kufanya ili kuimarisha shimo hilo,’ asema.
Kuongeza nguvu za kompyuta pamoja na programu iliyoboreshwa zaidi kunawaruhusu wahandisi kuchanganua miundo mingi ya mtandaoni kwa muda mfupi na kusukuma mipaka ya muundo na nyenzo. Kulingana na mhandisi wa kubuni Maalum Chris Meertens, 'Iteration ni jina la mchezo. Zana za FEA huunda kielelezo wakilishi cha fremu na lengo ni kufanya kila nyuzi ihesabiwe. Programu hii huniruhusu kubuni kila safu, kulingana na muundo wa uboreshaji wa kesi 17 za upakiaji ambazo tunazo kwa fremu ya kielelezo.’
Inamaanisha nini ni programu kuelekeza Meertens kiasi cha kaboni inapaswa kuwa katika kila eneo la fremu, na uelekeo bora zaidi wa nyuzi. Ustadi, ingawa, ni katika kujua ni nini na kisichowezekana na uwekaji kaboni. Wakati mwingine kompyuta hutamka maadili ambayo ni mbali na bora. 'Mara nyingi mimi huitazama na kusema, "Hakuna njia tunaweza kufanya hivyo,"' Meertens anasema. ‘Kwa hivyo basi mimi hujishughulisha na programu ya kudondosha laminate ili kukata plies pepe na kuziweka kwenye mandrel pepe, nikizingatia uwezekano wa utengenezaji na uboreshaji wa laminate.’
Hata kwa kutumia programu ya kompyuta hii inaweza kuchukua siku kadhaa kufasiriwa, na bado kuna njia ndefu kabla ya kuweka mipangilio kubainishwa. Kipengele kimoja ambapo kipengele cha binadamu ni muhimu ni katika kuhakikisha kwamba kiwango cha nyuzinyuzi sahihi kinatumika mahali pazuri. Meertens anasema, ‘0° nyuzinyuzi ni ngumu sana lakini haina nguvu nzuri ya kuathiri, kwa hivyo, ili kudumisha ustahimilivu wa uharibifu wa mchanganyiko, ni lazima tuepuke kuweka nyingi sana mahali kama sehemu ya chini ya bomba la chini. Nitajua kufikia hatua hii ni maumbo gani ya ply ninayohitaji, lakini sasa ninataka kujua ni ngapi kati ya kila ply. Kwa hivyo mimi huendesha programu nyingine ya uboreshaji ambayo huniambia jinsi ninavyopaswa kuifanya - kimsingi idadi ya tabaka. Itachambua popote kutoka kwa mchanganyiko 30 hadi 50 wa plies. Tutapitia mzunguko wa urejeshaji mtandaoni na uboreshaji mara nne au tano, tukisawazisha viunzi kidogo zaidi kila wakati. Lakini wakati fulani tunahitaji kugonga "Nenda" na kuituma.'
Mwongozo wa uhakika
Ratiba ya upangaji ni kama ramani ya 3D, inayoelezea kila kipande cha kaboni yenye umbo katika kila safu. 'Fremu imegawanywa katika kanda tisa: viti viwili, viti viwili, mabano ya chini, kiti, mirija ya juu, ya kichwa na chini,' anasema Meertens.'Tunabainisha orodha, ambayo ni mhimili, kwa kila eneo. Mwelekeo wa kila kipande cha kaboni katika eneo basi unahusiana na hifadhidata hiyo. Mrija wa chini unaweza kuwa na plies kwa 45°, 30° na 0° ikilinganishwa na hifadhidata ya ndani. Kwa ujumla, nyenzo za nguvu za juu hutumiwa mbali na mhimili, kwa pembe. Nyenzo ya juu zaidi ya moduli tunayotumia axially, kwa 0°.’
Faili inayotokana inaweza kuwa na ukubwa wa hadi 100Mb na hatimaye kupitishwa kwenye sakafu ya kiwanda. Kila mfanyakazi katika kiwanda hupokea tu sehemu inayofaa kwa sehemu ya fremu anayowajibika kuunda. Hii bado si mbio ya mwisho ya uzalishaji. Fremu iliyojengwa ni mfano katika hatua hii na inahitaji kujaribiwa ili kuhakikisha uwekaji ulioundwa kidijitali una matokeo katika fremu inayofanya kazi kwa vitendo. Ultrasound, ukaguzi wa X-ray na dissection ya kimwili huonyesha unene wa laminate. Mahali pengine matrix ya resin itachomwa ili kufichua ubora wa lamination na kama nyenzo au nyuzi zimehamia. Vipimo vya kupinda vinapaswa kuonyesha matokeo sawa na uchanganuzi wa FEA. Hata hivyo, mwishowe ni binadamu anayeitoa barabarani.
‘Kuendesha baiskeli ndiyo njia pekee tunayoweza kuihesabu kikweli,’ anasema Bob Parlee. ‘Tunaweza kufanya vipimo vya kukunja na kupakia lakini tunahitaji kutoka nje na kukiendesha ili kuona kama kinafanya jinsi tunavyotaka.’ Wakati mtindo huo unapita kwa wingi, uzalishaji unapewa mwanga wa kijani.
Uzalishaji mwingi wa baiskeli hufanyika Mashariki ya Mbali, na hii inatia umuhimu mkubwa zaidi kwenye ratiba ya upangaji. Mpango wa kina, ukifuatwa hadi mwisho, unapaswa kuhakikisha bidhaa zinazotoka katika viwanda hivyo vikubwa ni mapacha sawa na wale waliojaribiwa na kupitishwa katika hatua ya mwisho ya mfano. Bila shaka chapa nyingi hujaribu kila mara na kujaribu tena fremu za uzalishaji ili kuhakikisha uthabiti ili baiskeli zinazofika kwenye maduka zikidhi matarajio ya wateja. Katika hali nyingi watengenezaji wanaweza pia kufuatilia safari nzima ya fremu, kurudi kwenye asili ya nyuzi za kwanza kabisa. Ambayo ni jambo la kufikiria wakati ujao unaposimama na kuvutiwa na kiburi na furaha yako.
