Fabrikanten houden ervan om op te scheppen over het leggen van koolstofvezels, dus Cyclist besloot te onderzoeken wat dit betekent en hoe het de prestaties beïnvloedt
Een fiets is natuurlijk het beste kerstcadeau ooit, maar met de mogelijke uitzondering van een puppy is het ook het moeilijkst in te pakken. Dus heb medelijden met de arme frameontwerper die carbon om zijn complexe rondingen moet wikkelen en draperen, zodat, wanneer gebakken en afgewerkt, het frame het gewenste rijgevoel geeft. De constructie van een frame van koolstofvezel is een complexe 3D-puzzel die de Rubik's Cube overschaduwt.
Het mooie van carbon is dat, in tegenstelling tot metaal, meerdere stukken kunnen worden gelaagd op verschillende mate van kruising en overlappen om een zeer strakke controle te geven over de prestatie-eigenschappen en sterkte die op een bepaald punt van een fietsframe vereist zijn. Het nadeel is dat koolstof anisotroop is - het is sterker in de ene richting dan de andere op een vergelijkbare manier als hout - wat betekent dat de sterkte afhankelijk is van de richting van de vezels. Om ervoor te zorgen dat koolstof een aanzienlijke belasting kan dragen, moeten de krachten langs de vezels worden geleid, wat de richting van de vezels absoluut cruciaal maakt. De samenstellende delen van een fietsframe ervaren krachten in verschillende richtingen, wat betekent dat de koolstofvezels ook in verschillende richtingen moeten lopen. Daarom hebben verschillende lagen hun vezels onder verschillende hoeken, gewoonlijk 0° (in lijn), +45°, -45°, +90° en -90°, en inderdaad elke hoek gekozen door de ontwerpers als het de gewenste attributen zal creëren.
In de diepte
Zo is het voor alle carbonframes. Onder de glanzende buitenkant bevinden zich vele lagen koolstofvezelstukken waarvan de stijfheid, sterktes, vormen, maten, posities en oriëntaties nauwgezet zijn gepland, meestal door een combinatie van computersoftwarepakketten en de expertise van ingenieurs. Dit staat bekend als het lay-up schema, of gewoon de lay-up. Wanneer de koolstofpuzzel klaar is, moet de fiets licht, responsief, kosteneffectief zijn en bestand zijn tegen de meest extreme krachten van het fietsen.
Professor Dan Adams, directeur van het laboratorium voor composietmechanica aan de Universiteit van Utah in S alt Lake City, zelf een fervent wielrenner en die betrokken was bij de ontwikkeling van Trek's eerste carbonframes, zegt dat alles maken van carbon alles is over het juiste lay-up schema. 'Het specificeert de oriëntatie van afzonderlijke lagen of lagen koolstof/epoxy prepreg, gestapeld om de uiteindelijke dikte van het onderdeel te maken', zegt hij. ‘Sommige framedelen zijn makkelijker te leggen dan andere. De buizen zijn relatief eenvoudig, maar de verbindingen ertussen zijn enkele van de meest complexe lagen die je zult zien in productie-onderdelen in elke industrie die koolstof structureel gebruikt, inclusief ruimtevaart en auto's.'
Carbon's anisotrope aard maakt het kiezen van de juiste koolstof ook cruciaal. Op zijn eenvoudigst zijn er twee manieren waarop koolstof wordt geleverd. Unidirectioneel (UD) laat alle koolstofvezels in één richting lopen, parallel aan elkaar. Het alternatief voor UD is een geweven stof, of ‘doek’. Het heeft vezels die in twee richtingen lopen, onder en over elkaar heen in een rechte hoek om het klassieke uiterlijk van koolstofvezel te geven. In de eenvoudigste stof, bekend als platbinding, rijgen de vezels onder en over bij elke kruising (genaamd '1/1') om een rasterachtig patroon te produceren. Er zijn veel andere mogelijke weefpatronen. Twill (2/2) is wat losser, dus gemakkelijker te draperen en gemakkelijk te herkennen aan het diagonale patroon, dat eruitziet als chevrons.
De modulus (een maat voor elasticiteit) van de vezel is ook fundamenteel voor een bepaalde lay-up. Modulus definieert hoe stijf een vezel is. Een vezel met standaard modulus van 265 gigapascal (GPa) is minder stijf dan een vezel met een gemiddelde modulus van 320 GPa. Er is minder koolstof met een hogere modulus nodig om componenten met dezelfde stijfheid te maken, wat resulteert in een lichter product. Vezels met een hogere modulus lijken daarom misschien de beste keuze, maar er is een addertje onder het gras. Een analogie kan worden gemaakt met een elastiekje versus een stuk spaghetti. De rubberen band is zeer elastisch (heeft een lage modulus) en kan worden gebogen met zeer weinig kracht, maar zal niet breken en zal na het buigen terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm. De spaghetti, aan de andere kant, is erg stijf (hoge modulus) en is dus bestand tegen vervorming tot een punt en breekt dan gewoon. Marketingafdelingen scheppen vaak op over de opname van een bepaalde vezelmodulus in het nieuwste frameontwerp, maar in de meeste gevallen is een fietsframe een zorgvuldige balans van verschillende soorten modulus binnen de lay-up om een gewenste combinatie van stijfheid, duurzaamheid en flex te leveren.
Er is nog een variabele om te overwegen. Een enkele streng koolstofvezel is extreem dun - veel dunner dan een mensenhaar, dus ze zijn samengebundeld om een zogenaamde 'sleep' te vormen. Voor fietsen kan een sleep alles tussen de 1.000 en 12.000 strengen bevatten, hoewel 3.000 (geschreven als 3K) het meest gebruikelijk is.
Vezel dit, vezel dat
Dat zijn de basisprincipes, maar het maken van een lay-up wordt ingewikkeld. 'Vanuit het oogpunt van pure sterkte en stijfheid zou het ideale composiet het hoogste aandeel vezel tot hars hebben en de minste buiging in de vezel', zegt dr. Peter Giddings, een onderzoeksingenieur bij het National Composites Centre, Bristol, die heeft werkte met fietsen en racete er vele jaren mee. ‘Unidirectionele vezels, althans in theorie, zijn hiervoor de beste keuze. UD-materialen hebben een verhoogde stijfheid-gewichtsverhouding in de vezelrichting. Helaas zijn UD-composieten gevoeliger voor beschadiging en, eenmaal beschadigd, hebben ze meer kans om te falen dan geweven stoffen.’
Een frame bouwen dat uitsluitend uit UD-koolstoflagen bestaat, zou een fiets creëren die gevaarlijk broos was, om nog maar te zwijgen van onbetaalbaar vanwege de materiaal- en manurenkosten. Daarom domineert geweven koolstof en is het de voor de hand liggende keuze voor alle gebieden met strakke bochten en complexe gewrichtsvormen. Bovendien houden mensen van zijn uiterlijk. 'Esthetisch worden geweven materialen beschouwd als mooier dan unidirectionele materialen en de perceptie van het publiek van een composiet is een geweven stof', zegt Giddings. 'Veel fabrikanten schilderen [en verhullen daarom] gebieden waar de frameconstructie een glad, geweven uiterlijk verhindert.'
Gemak van fabricage moet ook worden meegenomen in een lay-upschema om rekening te houden met arbeidskosten. Voor complexe verbindingen en vormen zal het veel langer duren om de ideale lay-up met UD-vezels te creëren. Het is nog een reden waarom geweven stoffen de voorkeur hebben van de meeste fabrikanten van carbonfietsen. 'Geweven stof is gemakkelijker om mee te werken dan UD en vereist minder vaardigheid om het in de gewenste vorm te passen', zegt Giddings. ‘UD heeft de neiging om rond complexe vormen te splijten of te knikken. Losjes geweven stoffen passen zich gemakkelijker aan en de algehele sterkte van de structuur wordt minder beïnvloed door kleine fabricagefouten.’
Fabrikanten zullen waarschijnlijk kiezen voor een lay-up met geweven koolstof op de meest complexe gebieden, zoals de trapas en balhoofdbuisverbindingen, maar het is nog steeds niet zo eenvoudig als het klinkt, omdat er nog een andere factor is om te overwegen. 'Je wilt de continuïteit van de vezeloriëntatie behouden, niet alleen rond kruispunten, maar er doorheen en daarbuiten', zegt Paul Remy, fietsingenieur bij Scott Sports. 'Er kunnen complexe krommingen zijn bij een kruising zoals de trapas, dus je moet een manier bedenken om de oriëntatie van de vezels voort te zetten, om de belasting erdoorheen te verplaatsen.'
Het is hier dat frame-ingenieurs zoals Remy dankbaar zijn voor de hulp van informatica. In het verleden was de enige manier om te weten hoe de verschillende wijzigingen in het lay-upschema het eindresultaat zouden kunnen beïnvloeden, het bouwen en testen van meerdere prototypen, maar nu kan een lay-upschema met een zeer hoge mate van nauwkeurigheid worden getest door computers voordat een een enkele vezelstreng is in een framevorm terechtgekomen.
‘Vroeger was het heel moeilijk om te weten welk effect het veranderen van slechts één deel van de lay-up zou hebben op de prestaties van het frame,’ zegt Remy.
Bob Parlee, oprichter van het in Massachusetts gevestigde Parlee Cycles, herinnert zich die oude tijd voordat computers al het rekenwerk nogal liefdevol deden: 'Als je de belastingen op een truss-structuur zoals een frame begrijpt, zijn lay-ups eenvoudig, zodat ik ze in eerste instantie zelf in mijn hoofd kon uitwerken.' Sindsdien heeft Parlee toegegeven dat computer eindige-elementenanalyse (FEA) zijn plaats heeft. 'Oorspronkelijk zou ik geen gaten in framebuizen maken [voor kabelinvoerpunten of bidonhouderbevestigingen] omdat dit potentiële zwakke plekken waren, maar nu vertelt FEA ons wat we moeten doen om dat gat te versterken', zegt hij.
Door de rekenkracht te vergroten, samen met steeds geavanceerdere software, kunnen ingenieurs in korte tijd veel virtuele modellen analyseren en de grenzen van ontwerp en materiaal verleggen. Volgens gespecialiseerde ontwerpingenieur Chris Meertens: 'Iteratie is de naam van het spel. FEA-tools creëren een representatief model van het frame en het doel is om elke vezel verantwoord te krijgen. Met de software kan ik elke laag ontwerpen op basis van een optimalisatiemodel voor de 17 belastinggevallen die we hebben voor een modelframe.’
Wat dat betekent, is dat de software Meertens instrueert hoeveel koolstof er in elk deel van het frame moet zijn en de optimale oriëntatie voor de vezels. De vaardigheid is echter om te weten wat wel en niet mogelijk is met carbon lay-up. Soms spuugt de computer idealen uit die verre van ideaal zijn. 'Meestal kijk ik ernaar en zeg ik: "Dat kunnen we niet doen", zegt Meertens. 'Dus dan ga ik aan de slag met software voor het draperen van laminaat om virtuele lagen te snijden en ze op een virtuele doorn te draperen, gebaseerd op de haalbaarheid van productie en laminaatoptimalisaties.'
Zelfs met computersoftware kan dit dagen duren om te ontcijferen, en er is nog een lange weg te gaan voordat de lay-up definitief is bepaald. Een aspect waarbij het menselijke element essentieel is, is ervoor te zorgen dat de juiste vezelkwaliteit op de juiste plaats wordt gebruikt. Meertens zegt: '0°-vezel is erg stijf maar heeft geen goede slagvastheid, dus om de schade aan het composiet bestendig te houden, moeten we voorkomen dat we te veel plaatsen op plaatsen zoals de onderkant van een onderbuis. In dit stadium weet ik welke laagvormen ik nodig heb, maar nu wil ik weten hoeveel van elke laag. Dus ik voer een ander optimalisatieprogramma uit dat me vertelt hoe dik ik ze moet maken - in wezen het aantal lagen. Het analyseert overal van 30 tot 50 combinaties van lagen. We zullen de cyclus van virtueel draperen en optimaliseren vier of vijf keer doorlopen, waarbij we de lagen elke keer een beetje meer finetunen. Maar op een gegeven moment moeten we op "Go" drukken en het verzenden.'
Definitieve gids
Het lay-upschema is als een 3D-kaart, met details over elk stuk gevormd koolstof in elke laag. ‘Het frame is opgedeeld in negen zones: twee staande achtervorken, twee liggende achtervorken, trapas, zadel, boven-, hoofd- en onderbuizen’, zegt Meertens.‘Voor elke zone specificeren we het nulpunt, dat is een as. De oriëntatie van elk stuk koolstof in een zone is dan gerelateerd aan dat gegeven. Een onderbuis kan plooien hebben op 45°, 30° en 0° ten opzichte van het lokale referentiepunt. Over het algemeen wordt het materiaal met een hogere sterkte onder een hoek buiten de as gebruikt. Het materiaal met een hogere modulus gebruiken we axiaal, bij 0°.'
Het resulterende bestand kan tot 100 MB groot zijn en wordt uiteindelijk doorgegeven aan de fabrieksvloer. Elke arbeider in de fabriek ontvangt alleen het deel dat relevant is voor het deel van het frame dat ze moeten maken. Dit is nog steeds niet de laatste productierun. Het gebouwde frame is in dit stadium een prototype en moet worden getest om ervoor te zorgen dat de digitaal ontworpen lay-up resulteert in een frame dat in de praktijk presteert. Echografie, röntgeninspectie en fysieke dissectie onthullen laminaatdiktes. Elders zal de harsmatrix worden weggebrand om de kwaliteit van de laminering bloot te leggen en of materiaal of vezels zijn gemigreerd. Buigproeven moeten dezelfde resultaten opleveren als de FEA-analyse. Maar uiteindelijk is het een mens die ermee op pad gaat.
‘Fietsen is de enige manier waarop we het echt kunnen kwantificeren’, zegt Bob Parlee. 'We kunnen de buig- en belastingstests doen, maar we moeten eruit en erop rijden om te zien of het presteert zoals we willen.' Als het model de test doorstaat, krijgt de productie eindelijk groen licht.
De meeste fietsproductie vindt plaats in het Verre Oosten, en dit hecht nog meer belang aan het lay-upschema. Het fijn gedetailleerde plan, indien nauwkeurig gevolgd, zou ervoor moeten zorgen dat de producten die uit die grote fabrieken komen identieke tweelingen zijn van de producten die getest en geslaagd zijn in het laatste prototypestadium. Natuurlijk testen en testen de meeste merken voortdurend productieframes om consistentie te garanderen, zodat fietsen die de winkels bereiken aan de verwachtingen van de klant voldoen. In de meeste gevallen kunnen fabrikanten ook de hele reis van een frame volgen, helemaal terug naar de oorsprong van de allereerste vezelstrengen. Dat is iets om over na te denken de volgende keer dat je staat en je trots en vreugde bewondert.
