Vaik on laulmata kangelane, mis hoiab teie süsinikkarkassi koos ja see on jõudluse jaoks sama oluline
Küsige enamikult maanteedel, millest nende rattaraam on tehtud, ja vastus on tõenäoliselt "süsinik". Küsige kõigilt, kes on seotud jalgrattaraamide (või tõepoolest muude sellest kootud imematerjalist valmistatud toodete) valmistamisega, ja saate keerukama vastuse.
„Jalgrattatööstuses kuuleme tavaliselt juttu süsinikust, kuid tegelikult on see liiga lihtsustatud – üldistus,” ütleb Thomas Leschik, Saksa rataste tootja Lightweight insenerijuht. See on tegelikult süsinikkiudude ja epoksüvaigu maatriks. Täpsem termin on CFRP – süsinikkiuga tugevdatud plastik.'
Nii et meie kõrgelt ihaldatud ratsud on midagi enamat kui tugevdatud plastikrattad. See on lihtne lühend ja seletab pik alt CFRP plastist (või polümeerist) osa vaikude tähtsust. Põhimõtteliselt annab vaik komposiitmaterjalile jäikuse. Nagu ütleb Phil Dempsey süsinikkiust jalgratastele spetsialiseerunud ettevõttest Aprire: Süsinikkiud on puht alt kangas. Üksinda on see vaid riidetükk.’
Mis puudutab tootekirjeldusi ja sellega kaasnevat turundusskeemi, siis süsinikkiu kaubamärki või tüüpi (nt Toray, T800, 65HM1K, ülikõrge moodul) nimetatakse tavaliselt valmistoote põhiomaduseks. Näib, nagu poleks midagi muud mängus, kuid tegelikult moodustavad kiud veidi üle poole raami materjalist. Ülejäänud on epoksüvaik, mis peab kindlasti mängima olulist rolli tänapäevase jalgratta toimimises. Miks siis turundussõnas seda harva mainitakse?
CFRP ABC
| CFRP |
Süsinikkiuga tugevdatud plast (või polümeer). Viidatud komposiitmaterjal süsinikuks või süsinikkiuks. |
| Ravi |
Protsess, kus CFRP-struktuurile rakendatakse kuumust ja sageli survet, et seada vaiku ja võimaldage valmis tükile jäikust. |
| Fibre | Süsinikukiud, mis on kokku kootud või kootud, et luua CFRP struktuuri tugevdav element. Sageli nimetatakse seda "filamentideks". |
| Mould | Füüsiline komponent, mille sisse ja ümber asetatakse raami loomiseks süsinikkiust lehed. |
| Kinnitage raamat | Sisuliselt ülistatud õmblusmustrite raamat. Need kirjeldavad üksikasjalikult, kuidas iga üksikut süsinikkiu tükki lõigatakse ja kokku pannakse, ning need on kõige paremini kaitstud saladused. |
| Preg | Kõvastumata vaiguga immutatud süsinikkiust niitide lehed. |
| Vaik | Vedel polümeer, mida kasutatakse kiudude ühendamiseks CFRP struktuuris. |
Siseringteadmised
Et mõista vaigu rolli valmis süsinikkiust jalgrattas, peame mõistma tootmisprotsessi ja seda, kuidas vaik sellesse sisestatakse.
Sisuliselt on olemas kahte tüüpi süsinikkiust konstruktsioone: märg ja kuiv. Märgtootmiseks ostab ettevõte vaiguga juba immutatud süsinikkiust kangast, mida tuntakse kui pre-preg. Need kleepuvad lehed asetatakse vormi sisse või selle ümber ja seejärel kuivatatakse kuumuse ja rõhuga, et tekitada jäikus. Kuiva vaigu infusiooni valmistamise tehnikal võib olla kaks erinevat vormi. Esimene on sarnane sellele, kuidas toimub eelvalmistamine, vormi peale asetatakse kuiva lapiga lõigatud kujundid, millele on tahkestamise käigus lisatud vaiku. Teine tehnika, mida kasutavad sellised ettevõtted nagu Time ja BMC (koos Impec-ratastega), hõlmab pideva torukujulise sokitaolise struktuuri venitamist vormi kohal ühe pikkusega. Siit lisatakse vaik surve all juba moodustunud kujunditele.
Giant on ainuke kaubamärk, mis toodab kõiki oma süsinikkiust valmistatud eelpreg-tooteid poolist lõpuni – see tähendab, et ta ostab oma süsinikkiu niidina suurtel poolidel, lisab oma vaiku ja jätkab oma raamide, lattide, varte ja tarvikute tootmist. Giant näib seega olevat hea seltskond vaikude tähtsuse kohta küsida.
Selle Ühendkuningriigi toote- ja koolitusjuht David Ward ütleb: „Meie süsinikkiust hõõgniit tarnitakse otse Torayst [maailma suurim süsinikkiu tootja] pooliruumi. Se alt on see keermestatud kangastelgedele ja kootud tohututeks süsinikkangalehtedeks. Vaik lisatakse pärast kudumist. Vaik asetseb rulliku kohal olevasse künasse ja suunatakse liikuvale riidele, mis kantakse rullide kaudu filamentidele.” Protsess on lihtne ja Giant kasutatav tehnika on peaaegu identne kõigi pre-preg süsinikkiud. Kuid kuigi selle mehaanika võib olla lihtne, on täpsus, korratavus ja kontroll lõpptoote terviklikkuse jaoks üliolulised.
„Vaik peab voolama iga hõõgniidi vahel ja katma ideaalselt,“ütleb Ward. „Vaigu hea jaotus on väga oluline selleks, et tootmisliini lõpust välja saada hea eelproov.” Dempsey ettevõttest Aprire lisab: „On nii oluline, et vaik läheks läbi kihtide. Kui kasutate vaiku valesti, on teil raam mõranenud. See on tõesti kriitiline.’
Põhjuses
„Kuna vaik moodustab pärast kõvenemist 40% Giant raamist, on vaik väga oluline osa,“ütleb Ward. "Kui see on termoreaktiivseks [kõvenenud], annab vaik struktuurile jäikuse." Lisaks põhilistele struktuuriomadustele on vaigul veel üks oluline roll. Dempsey ütleb: "Peate pingeid ühest osast teise üle kandma. Need on vaigud, mis võimaldavad koormust kiukihtide vahel üle kanda.’
Erinevad vaigud mõjutavad lõpptoote toimivust. Dempsey ütleb: "Kui vaik on liiga viskoosne, ei jookse see läbi süsiniku ja kiud puudutavad üksteist." Ideaalis soovite, et need oleksid üksteisest veidi eraldatud.’
Siis on probleem kokkusurutavusega, mis mõjutab süsinikstruktuuride paksust. "Erinevad lisandid vaigus mõjutavad kokkusurutavust, " ütleb Dempsey."Sõltuv alt vaigu omadustest võite saada erineva kihi paksuse. Üldiselt on odavamad vaigud paksemad. Hea vaigu korral võivad süsinikkiud olla üksteisest mikronite kaugusel. See annab teile samade tugevusomaduste jaoks õhemad seinad, mis tähendab kergemat raami. Odavam vaik jätab kiudude ja kihtide vahele rohkem materjali.’
Kuna Giant toodab täielikult ettevõttesiseselt, on ta suutnud välja töötada oma vaigud. Ward ütleb: „Oleme praegu vaiguarenduse kolmanda põlvkonna poolel. Vormimis- ja kõvenemisprotsessi pisemad detailid tulenevad kõik vaigu omadustest – temperatuurist, mille juures see kustub, ja kõvenemisajast.’ Tänu oma süsiniktoodete laiale hinnavahemikule kasutab Giant kahte tüüpi vaiku. "Meie standardvaiku kasutatakse kõigis tootesarjades, välja arvatud Advanced SL tooted," ütleb Ward. „Advanced SL-i jaoks kasutame nanotehnoloogilist lisandit. Nanoosakesed suurendavad meie raamide löögikindlust 18%, ilma et see mõjutaks negatiivselt jäikust ega kaalu. Need maksavad aga palju rohkem.’
Osakeste täiendav kõrvalsaadus on paranenud seinte tihendamine kõvenemise ajal. Nanoosakesed võimaldavad vaigul täita mikrotühimeid paigutuses. Vaik voolab tegelikult paremini, vähendades tühimike ja seina paksust,“lisab Ward.
Vaigu roll tühimike vähendamisel on raami struktuurse terviklikkuse võtmepunkt, nagu Dempsey selgitab. "Vaigus olevad tühimikud on augud, mis koguvad stressi," ütleb ta. "Need on potentsiaalselt tõrkepunktid ja tühimikud purunevad kihtide delamineerumisel laiali puhudes. Delaminatsiooni saab siiski saavutada ilma tühimiketa, kuid soovite püüda komposiidis minimaalseid õhutaskuid.’
Lisaks koormuse ülekandmisele, seina paksusele ja vastupidavusele võivad vaigud rattaga sõitmist mõjutada. Dempsey ütleb: Lihtsast vaatenurgast võite mõelda vaikudele kui kahepakendile araldiidi stiilis tootele, millel on vaik ja kõvendi. Antud vaiguga kasutatava kõvendi kogus võib sõidukvaliteeti oluliselt mõjutada. Hea rattaraami jaoks on vaja kõvastunud vaigu sees painduda, et võimaldada pingete ülekandumist süsinikkiu kihtide vahel. Selle saate, kui kasutate tugevamat vaiku, milles on vähem kõvendit. Nutikad disainerid saavad antud raskuse jaoks hankida jäigema või sobivama struktuuri. Te ei saa jäikuse osas vaigule loota, kuid insenerina peate olema teadlik võimalikest omadustest, mida vaik võib valmis struktuurile lisada.’
Vaigud on valmis raami kvaliteedi seisukoh alt selgelt olulised, seega pöördume tagasi küsimuse juurde, miks me nendest nii vähe kuuleme.
„Vaik on lubaja, mitte funktsioonide draiver,“ütleb Dempsey. „Vaik võimaldab meil siduda süsinikkiu erinevad kihid – näiteks T700 kuni T800 –, et kasutada kiudude erinevaid omadusi. Seda on raske müüa ja väga raske keerutada, kuid nende rolli ei tohiks alahinnata.’
Giant’s David Ward ütleb selle lakoonilisem alt: „Vaigud on vaid liim. Nad pole lihts alt seksikad.’
Hetke kuumus
Arvestades, et enamik jalgrattatootjaid kasutab eelpreg süsinikku, on nende valikud raami jõudluse mõjutamiseks vaigu kasutamise osas piiratud. Kuid see ei takista inimesi otsimast uusi suundi ega tõukamast vaigu- ja pre-preg-ettevõtteid tootma erinevaid tooteid.
Dempsey ütleb: „Töötame selle nimel, et partnerid tootksid vaiku, mis toatemperatuuril ära ei lähe. Üks disaini piirav tegur on see, et niipea, kui võtate pre-preg külmhoonest välja, hakkab see õhu käes kõvenema. See ei lähe kunagi kõvaks väljaspool küpsetusahju, kuid see "kustub". Pre-preg, mis võimaldas meil kasutada keerukamat kujundusprotsessi ja arendada oma kihtraamatut [vt sõnastikku, vasakul] soovitud tasemele, võimaldaks meil lõpptulemusest palju rohkem saada. See oleks meie jaoks suurepärane.’
Üks valdkond, kus vaigud mängivad suurt rolli, on süsinikrataste tootmine. Siin on vaigud võtmetähtsusega mitte ainult ratta konstruktsiooni terviklikkuse ja jäikuse, vaid ka pidurdustõhususe jaoks.
Lightweight Leschik ütleb: „Vaigu nõrgim koht on temperatuuri käitumine. Enamikul vaikudel on probleeme üle 150°C. Viimase 10 aasta jooksul oleme suurendanud oma vaikude temperatuurikindlust kolm korda.’
Peaaegu iga jalgrattur on kuulnud õuduslugu süsinikuratta tõrke kohta pikal laskumisel kuumuse kogunemise tõttu, kuid mis tegelikult juhtub, kui piduriklots puutub kokku veljega? Leschik ütleb: Triboloogia on suhtelises liikumises interakteeruvate pindade teadus ja tehnika. See hõlmab hõõrdumise, määrimise ja kulumise põhimõtete uurimist ja rakendamist. Pidurdamine CFRP veljel kummist piduriklotsidega märgades või kuivades tingimustes on üks selline triboloogiline süsteem. Selle süsteemi optimeerimine heade pidurdustõhususe saavutamiseks ei ole võimalik ilma kõrgele temperatuurile vastupidavate vaikudeta.’
Nagu raami jõudluse puhul, suurendavad kuumuskindlust ja hinda ka vaikude lisandid. Üks selline lisand on keraamika – ränidioksiid. Kuigi Aprire rattaid ei tooda, mõistab Dempsey protsessi: „Vaigud muudavad süsiniku velje struktuuri tohutult. Näiteks eemaldab ränidioksiidi lisamine konstruktsiooni korpusest olulisel määral soojust ja võimaldab õhuvoolul velge palju paremini jahutada kui tavalise CFRP velje puhul. Vask oleks suurepärane lisand, kuna see suudab imeda tohutul hulgal soojust, kuid väävel võib vaiku leostuda, kui niiskus satub mikropragude kaudu. See tooks kaasa peaaegu kindla delaminatsiooni. Jahutusradiaatorid – vaigu sees olevad võrgud – omavad suurt potentsiaali. See tehnoloogia võib tulla.’
Lightweight Leschik usub tohutult ka vaiguarendustesse: „Me otsime veljepidurivelgede optimeerimist. Oleme kindlad, et nutikate vaikude abil suudame sõitjale anda samasuguse pidurdustõhususe kui ketastel ilma ühegi lisaraskuseta.’
Karm tõde
On selge, et vaik on rattaehitusprotsessi laulmata kangelane. See võib mõjutada süsinikkiust toodete jäikust, vastupidavust, kaalu, ohutust ja hinda, nii et kas võime eeldada, et tootjad hakkavad oma kleepuva kraami imesid vahatama? Tõenäoliselt mitte, sest see on ikkagi vaid üks osa keerulisest süsteemist. Kvaliteetne vaik ei korva halva kvaliteediga süsinikkiudu ega inspireeritud ehitustehnikaid. Nagu Lightweight’i Leschik ütleb: "See on iga kord sama: kena koogi valmistamiseks on vaja õigeid koostisosi õiges vahekorras, mis on hästi valmistatud."
Süsiniku žargoon: mida see kõik tähendab?
