单车厂商联合碳修复专家 揭秘碳纤维车架设计、生产过程

骑车的老鸟,都知道碳车架的水很深,国产碳和国外碳,低模和高模,有关碳纤维的一切向来是自行车谣言的重灾区,而众多自行车大厂却对碳纤维技术守口如瓶,更让这事添了一份神秘。

终于有一家厂商决定不再传统下去。美国单车厂商Allied Cycle Works联合碳修复专家Raoul Luescher合作撰写了一篇可能是有史以来最详细的碳纤维车架揭秘文章,发布在澳洲自行车媒体Cyclingtips的网站上。

什么是碳纤维?

碳纤维是一种聚合物,准确的说,是经过多种加热步骤而定型为丝线状的碳原子。 这些长丝每根直径约5-10微米,比一般人发细10-20倍。

碳纤维细丝看起来就像人的头发。

这些单丝聚集在一起形成丝束,就像将几股线搓成一根绳子那样,一起工作的碳纤维,拥有了人们印象中的特质——轻巧、坚固。

单根碳丝束使用的细丝数量,或用大家熟悉的叫法,模量,就成了碳纤维的最常见的度量标准。例如,具有3,000根长丝的碳丝束通常被命名为3K,6000丝是6K,依此类推。模量并非越高越好,因为较高的模量意味着较高的脆性。

关键一点,至少在自行车行业内,描述模量的方法并不是标准化的(更像是品牌忽悠销售者的一种策略):一个品牌声称的“超高模量”材料实际上可能比另一个品牌的“低模量”碳更“软”。和单纯的模量高低相比,这些不同刚度的碳是如何应用、应用在车架的哪些部位是更重要的事情,最好的车架都会采用多种模量的碳来制造不同位置。

环氧树脂是车架质量高低的关键

碳丝束在加入环氧树脂前,还是很软,几乎毫无用处。向碳纤维添加树脂可将材料转变为复合材料,更准确的工程术语叫,碳纤维增强聚合物(CFRP)。 由于复合材料通常也是分层的,也被称为层压材料。

相比轻巧的碳纤维,树脂相对笨重。 厂商在生产这类复合材料时,都希望尽可能少使用树脂来固定碳纤维。 这里还有教给大家一个通过树脂含量分辨碳纤维模度的方法,较高模量的碳会发光,因为高模碳的丝束间隙小,所需填充的树脂少,反之,低模碳因为丝束间隔大,填充树脂多,所以光泽相对暗淡。

一些制造商会通过使用其他纤维类型和改性树脂(例如灌注玻璃或碳纳米管的复合环氧树脂)来改变最终的性能特征。 Allied使用了被称为Innegra的增强材料,而另一些已知包括芳族聚酰胺之类的材料以增加层压板的抗冲击性。

为了融合碳纤维和树脂,大多数车架厂商会将碳纤维布预浸渍在未固化的树脂中,并冷冻储存。这样做有助于确保树脂覆盖每一个碳丝束的缝隙。

厂商在编制碳布时,有两种方式,一种是单向编织法,所有的纤维都在一个平行的方向上运行。这种方式的优点是,在一个方向上提供了最大的强度和刚度,缺点是,其正交方向上的强度和刚度都很弱,五通、头管、有线管钻孔的地方都会选用单向编织的碳布。

另一种方式是交叉编织法,丝束可以以各种角度编织在一起,通常以十字交叉的方式编织在一起,使得材料可以在多个方向上同样强壮。

巨大的平板预浸碳纤维成卷的运输到车架工厂,被切成小块,然后才能放入模具中。

车架设计师需要权衡广泛的参数,如刚度与脆性,重量与耐久性,耐冲击性,当然还有成本,确保能在最合适的部位使用最合适的碳纤维类型。

一般来说,碳车架的设计可能性是无限的,如果做得好,碳车架的寿命几乎是无限的。

持续的改进 > 大幅的创新

设计一个碳纤维车架是个艰难、缓慢而复杂的过程。无论是材料、受力还是外观,这些过程都很缓慢,不同的品牌之间差异也非常巨大。

这就是为什么每隔几年你才会看到一个品牌通过迭代和渐进式的改进来更新现有的模型,而不是重新设计已经相当精致的产品。

Luescher解释说,碳纤维车架的进步大部分归结为更精益的过程控制。

“相比不断变革的碳纤维材料科技,提升树脂和碳纤维的融合率,仍是收益更高的做法。”

“树脂与碳纤维结合越均匀,缺陷越少,车架结构性能越强。通过生产更加一致的复合碳纤维,才能放开设计人员的手脚,从而设计出更轻,更坚固,更耐疲劳的车架,而不需要像之前要求的那么大的安全系数。”

有限元分析(FEA)允许能对车架进行虚拟测试。

这个测试过程通常需要一年的时间。

因为实物建模很贵的,一个部件的模具就要十几万到几十万人民币不等,所以电脑建模在这些年成了主流。

Allied产品和工程总监萨姆·皮克曼(Sam Pickman)说,“我们主要使用3D FEA分析,CFD(计算流体动力学,用于空气动力学设计和测试)来决定如何拆分车架,使用何种材料,如何预成型,选用何种工具等等。当我们在电脑前,想的差不多了,才会把部件都3D打印出来,来看看生产装配时会碰到哪些麻烦事。”

单体法(Monocoque Manufacturing)

单体法,是目前业界最常用的碳架制作法,有点像我们常说的一体成型。在自行车产业里,真正的一体成型很少见,大多数都是先合成出自行车的前三角(上管、立管、下管),再将后上叉和后下叉与前三角粘结在一起,这也是Allied使用的技术。

单体法的第一步是预生产像头管这种复杂的构件。而为了完成它,大片预浸碳版要被切割成单个的块。

设计师根据电脑图纸为复杂部件制作不同的预生产片。

像尾勾部件,需要进行预生产。当设计师们完成那些预生产部件的切片后,他们就会打印出来,铺在机床上的碳纤维板上。

一台公路车架通常会使用了326块独立的预浸碳块,而单独前叉上还需另外再加170块,所以碳纤维车更像是一辆“拼”起来的车。

机床会根据设计的几何构型进行切割。

切割完成后,预生产片会被放入单独的模具中。例如头管,就要先使用单独的模具进行预生产,然后将部件移入主模具。小的构件完成预生产后,才会轮到前叉和车架。专用的模具将会对碳纤维步进行内外冲压,固化成我们熟悉的样子。然后车架的雏形出现了,下一步是打磨和上漆。在每一个类似后上叉和后下叉的连接处,厂商一般预留一个0.5毫米的凹陷,这让结构更加坚固,同时漆面更加平滑。

喷漆是一个更加费时费力的过程,好看的漆面绝不会是5、6层那么少。在自行车工厂的喷涂车间里,颜色几乎是无限多的,如果你还记得闪电那个涂装车间里有多少瓶颜料的话。理论上,一条美国国内生产线按照顺序完成上述工艺后需要24小时的劳动。实际生产中,通常是这个时间的2-3倍。

除开人工成本,单体法仍是成本最高的造碳车架方式。

每个车架在设计都需要创建特定的模具,不同尺寸的车架也需要一套自己的模具。考虑到一些厂商为每种尺寸提供12种尺寸,甚至是多种几何尺寸,可以说其中模具的成本相当可怕了。

所以就算是Giant或Specialized这样喜欢推陈出新的领头羊企业,也只能是2、3年才推出一款新碳纤维车架。

有了这样的模具成本,当没有生产数量来平衡成本时,较小的品牌和厂商都会选择开源的车架,这也是公模车架比大品牌车架便宜那么多的最主要原因。

质量控制、测试以及成品

每一个成型零件在进行粘接之前都会进行全面的视觉检查。粘结后,检查车架是否对齐。进入涂漆过程之前检查表面质量,最后在完成涂漆之后检查涂装是否完成,然后再进行装配。 还要对车架和前叉进行了10%的刚度测试随机抽样。

尽管ISO认证在这个领域确实存在一些行业标准,但是大多数主要品牌都会进行额外的测试。 除了频繁的视觉检查之外,还要单独称量各个部件和子组件,以确保每个部件都有适量的树脂注入。有时原材料也被跟踪。

德国的Canyon甚至用X光机检查前叉和车架。

设计、生产、制作一个碳车架是一个耗时费力的过程。

多年来,从消费者的体感而言,碳纤维车架并没有太大变化。 然而,站在行业角度, 对于这么一种既要安全、合规、坚固,又需要极致的轻盈的材料而言,正应了那句老话,细节决定成败。