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暗黑魔法:深度解读碳纤维车架的制造技术和工艺

2021-05-14 09:55:34

大家好,欢迎大家收看新一期的单车基械匠。

可以说,现在自行车已经真正进入到了碳纤维时代,虽不敢说是物美价廉,但是相较于十年前,那已经是便宜了很多。不过,这并不影响那些被定位为高端的碳纤维自行车的售价。在不同的自行车品牌之间,厂商们总是喜欢用一些模糊的描述或者高端的术语来介绍自己的碳纤维材料和制造工艺。但是,如果你可以深入了解一下,你会发现他们所谈论和宣传的这些东西实际是非常类似的东西。不过,既便如此,最终造出来的车架也是多种多样的。

这就像出色的大厨烧菜,原料只是决定产品的一部分。但如果你把相同的食材交给另外一名厨师,你吃到的菜品肯定是另一番风味。虽然它不会特别难吃,但是从口感和呈现方式上就会有明显的不同。碳纤维的自行车车架也不例外,更详尽的设计、测试,材料的正确选择,如何铺设,保证制造的一致性等等这些,都让不同的品牌型号之间形成了差异,这其中也包括了价格

那么,碳纤维是如何一步步变为车架的呢?在制造过程中会用到哪些技术和方法?有哪些问题是我们一直误解的?如果大家使用的材料相同,为什么一个车架会比另外一个车架好呢?带着你的疑问,继续看……

什么是碳纤维?

在开始深入研究碳纤维车架是如何被制造之前,我们首先应该了解碳纤维车架的原材料。这其中还会解释什么是厂家常说的3K,6K以及什么是高模量等专业术语。

碳纤维车架 

碳纤维作为聚合物,通过各种加热步骤使其成为一个长串的碳原子。这些细长的碳丝的直径一般为5-10微米,这比普通头发丝还要细上10-20倍。然后把这些细长的碳丝汇聚在一起形成带状或者丝束以备使用。这个过程你可以理解为麻绳,将一根根碳丝变成一根碳绳,让其强度更高更轻

粗的是头发,细的是碳纤维丝

而每个丝束所使用的碳丝的数量,就是我们在自行车上最常见到的计量单位了,通常都会以K(千)为单位。例如,由3000根碳丝构成的丝束被称为3K,6000根组成的称为6K,以此类推。单根碳纤维丝的强度和刚性实际上也是可以细化的,这就是我们常说的模量。通过更细化的加工,进一步让每一根碳丝更光滑,更细。这些更细的碳丝可以更为紧密的连接在一起,从而增加整个丝束的刚性。不过,较高模量也会增加脆性,因为每一根丝都更细了。

虽然模量是碳纤维车架在做营销时经常用到的术语,不过这一术语并不是单位,并没有被标准化,至少在我的了解中,在自行车行业上是这样的。比如一个品牌声称的“高模量”材料实际上可能只相当于某品牌的“低模量”碳。不过,更重要的是这些碳纤维是如何被用在车架上的,那些车架绝不是使用单纯的一种碳纤维材料来制造,而是不同模量混合搭配。

从碳纤维到复合材料

碳纤维丝束本身几乎并没有什么作用,这时候它们还只是干巴巴的,柔韧的原材料,只有把他们和其他材料混合在一起才会起作用。这也可以算作是一个误解,更准确的说法是,我们的碳纤维车架是一种复合材料或者层压材料。用于自行车的碳纤维原料必须被粘合在一起,通常使用的粘合剂为环氧树脂,这一步就是把碳纤维转化为复合材料,或者更具体的工程术语为:碳纤维增强聚合物(CFRP)。由于材料通常是分层,因此这些复合材料通常也被称为层压材料。

对比碳纤维原料的轻量以及强度,树脂在其中就会显得更重更弱了。而复合材料在制造过程中的目标就是在尽可能少的使用树脂材料的情况下来粘合碳纤维。这里就要提一下前边说到的高模量碳纤维,因为碳丝之间的间隙更小,所以只需更少的树脂材料就可以粘合,这也是高模量车架更轻的一个原因。

有一些厂家会使用一些其他纤维材料来改良树脂配方{例如添加玻璃纤维或者碳纳米管(更细的碳丝)的环氧树脂} 以改变成品的结构和性能。

预浸碳通常以大卷的形式被运输,到工厂后需要进行裁切在进行使用

在我们最常看到的碳纤维车架制造过程的演示视频中,经常出现的碳布,是大多数车架厂商最常用的预浸渍碳布,也称为预浸料。这是一种预先浸渍了树脂,但是未固化的碳纤维板,背面衬有不粘衬纸,可以成卷运输。这些材料平时被存储在冰箱中,需要使用时被拿出进行加热活化。这样做的好处是可以保持树脂在碳纤维上的均匀分布,可以更有效的把控品质,并减少制造的时间。

单一方向排列的碳丝也被称为UD碳布

一般情况下,这些预浸料的碳丝都是单一方向(UD碳布),所有的纤维丝都平行排布。虽然可以提供单一方向上的强度和刚性,但是这会牺牲掉垂直交叉方向上的刚性和强度。另一种情况是丝束以十字交叉的方式被编制在一起,这可以让材料在多个方向上具有相同的强度和刚性。

这种单向的预浸料特性鲜明,更容易铺设特定的角度,特别是对于一些复杂的车架位置或者相对负荷要求比较低的位置会更容易铺设。比如头管,坐管连接处,五通外壳以及水壶架和内走线孔的位置。这种碳布带来的另一个好处就是粘合效果更好,不易分层,可以提供一定的损伤容忍度。

虽然预浸料是自行车工业中最常用到的材料,但是也并不是所有品牌都会使用。

例如,Time会将 碳纤维丝束编织成他们所需要的碳管,过程有点像织袜子。然后再将碳管固定在模具中,并使用Time自己称为树脂传递模塑的工艺,在高压下注入树脂,最后固化整个组件。

但是,无论使用哪种方法制造,都要经过工程师权衡各项参数,确保在正确的位置和正确的方向上使用了正确类型的碳纤维和树脂,才能保证车架的各项性能指标。例如车架的刚性,脆性,重量,耐用性,抗冲击性,当然还有成本都必须考虑在内。但总的来说,碳纤维车架的设计是开放型的,如果做的好,碳纤维车架的使用寿命几乎是无限的。

 

设计过程概述

设计车架绝非易事,所以在这里我们也只是简单的概述一下。不论品牌和型号,这个过程都是十分复杂的,并且在不同的品牌之间的变化也很大。

首先,大多数的碳纤维车架的开端都是一样的,那就是首先要定义车架的用途,以及需求量。毕竟,你投入了大量的资金和人力,如果不能商业化,就无法收回成本并盈利。

下一步,品牌会确定车架的长期标准。考虑到碳纤维车架制造已经很成熟,往往新型号都是在现有型号上的改版,而很少出现真正意义上的全新设计。这就是为什么你经常会看到品牌迭代更新一些现有车架的新型号,而不会去大规模重新设计一款新车架的原因。这个过程是吸取经验和教训的过程,也是碳纤维使用中不断发展的原动力。

3D FEA允许在产品原型出现之前对数百种设计进行虚拟测试

碳纤维车架的另一个进步要归结于更加一致控制。尽管这些年碳纤维的等级得到了提升,但是更为重要的是压实和成型的技术已经超过了仅从材料中获得理论数值。压实更为均匀可以减少缺陷产生的几率,并提高结构性能。而更为一致的层合板结构和更优化车架的叠层,可以制造出重量更轻,强度更高,更耐疲劳的车架,而不用像以前那样需要更多的材料来提高容错率。

当以上设计概念被敲定以后,数字模型就开始发挥重要作用。一般会以一种或者几种方式进行设计,包括3D FEA、CFD(计算机流体力学,用于空气方面的设计和测试)。有时候在这一阶段还会确定在建造过程中车架从何处断开装配,使用什么材料制造,如何预成型以及制造工具的大致方向等等

一般在初期阶段,如果去完全制造一辆可以测试的原型车是很贵的,而且很费时。有些品牌会通过3D打印的方式制造配件来测试组装效果,美观程度和计算制造方式。

计算机辅助设计大大的缩短了设计周期,并且可以让你预先大致了解到车架的所有相关性能。一旦进行到这一步,模具设计和制造就可以开始了,层叠手册(每一块碳布的具体位置)也会被创建好。

下边来介绍几种碳纤维车架制造的方法:

单体结构

单体结构经常被用来作为碳纤维车架的技术术语出现在宣传中,从名称上可以得知,它就是通过单体结构来处理车架的载荷和应力。不过,实际上真正的单体结构的公路车是极为罕见的,通常厂商所宣传的单体结构大多只是一个单体的前三角结构,而后上叉和后下叉,甚至是中管则是被分开生产的,最后被组装在一起。所以,这一类的车架更准确的应该叫做半单体结构或者模块化单体结构。这目前也是自行车行业中最为常见的技术。

预浸碳根据层叠手册的要求被切割出各种形状

但是,不管这个术语是否正确,这一步都需要把大块的预浸碳切割成单独的碎块,每一块在模具上都会有其特定的区域和方向。通常,这些碳布的具体选择,位置,方向都会被标注在层叠手册中。你可以把它想象成一个拼图,每一块碳布上都有编号。

每一块被切割的预浸碳都有编号和固定的粘合位置

你一定听到有人给你说过,碳纤维的成本很低,甚至你在购物网站上也可以找到碳纤维和树脂材料,而且确实不贵。不过事实是,碳纤维的这种分层过程确实非常的费时和昂贵。一个车架主体就会需要几块这样的预浸碳,并且需要按照工程师提供的层叠手册,按特定顺序小心的手工铺设好。

对于复杂的部分,需要提前在较小的模具中预制成型,最后在放入大的模具中

对于一些比较复杂的部件,例如头管,一般都会先在预成型部件上粘合碳布,然后再把其移动到主模具中构成整体。模具通常由钢或者铝来制造,并且可以重复使用。模具的具体型号决定了车架的外表和形状。

有时候最小的部件可能是最费时的,上图是一个前叉的角铁

不过,外表只是车架的一部分,碳纤维车架的内部也需要获得压力,以确保碳层之间不会存在空隙。这其中会使用到各种技术:气囊是最常用的技术,通常会被留在车架内部。其他还包括可融化的泡沫或者蜡芯;柔性硅胶材料,甚至有些是更为结实的内芯,塑料或者是金属。

在一些高端车架被大批量制造时,半固化的车架围绕一个带有网状物的冲气囊被放置在模具的一侧,一旦所有都被放置完成,另一半模具就会被固定在上方并被固定好。

之后模具会被用真空袋完全密封并进行抽真空的操作。在这个过程中需要对零件施加一定的温度,在固化之前尽可能多的抽出空气。这个过程中,加热可以让树脂更均匀地流动,同时内部的气囊会让碳层压的更为紧实,消除掉内部的空气和缝隙同时还能去除多余的树脂。

刚刚从模具中取出的裸架,等待下一道工序

等待组装的后下叉

当车架固化后就会从模具中取出,并从中取出预制件和气囊。然后,包括角铁和后上叉和后下叉等部件就可以开始粘合在车架上了。结合的部分用碳布再次进行包裹,以提供额外的结构支撑和光滑的表面。组装过程需要在夹具上进行以确保所有配件都完美对齐。

现在整体看起来这就像一个车架的样子了,之后要进行的就是打磨和喷漆了。总而言之,一个碳纤维车架从碳丝到成为一个可以使用的碳架,需要漫长的时间。

对于单壳体结构来说,它可以生长出强大而轻量的产品,所使用的材料也是最少的。加上碳纤维的机械性能可以精密控制,所以单壳体结构经常成为一些高刚性重量比车架的。例如巴林美利达车队的斯特拉就采用了模块化单壳体技术来制造,其他的车型也都是如此。

然而,单壳体结构的制造成本高,而且灵活性也比较差。正如上边所说,制造过程时间长,而且需要大量的人力和财力的投入,这也是很多碳纤维自行车制造业会寻找劳动密集型国家建厂的原因。另一个原因就是每个车架都需要一个特定的模具,假如一个车架具有12个尺寸,甚至再有两到三种前叉尺寸的话,那么这其中得模具费用也是可想而知了。

也正是出于这些原因,对于一些小品牌和定制碳纤维品牌来说,这种操作性是难以接受的。而即使是大的品牌,车架设计的周期也都会在两年或者三年,以便可以有更长的时间来收回成本。

管对管技术

对于定制碳纤维车架来说,想要开发一种符合市场需求和定价的单壳体车架是很困难的,原因上边我们刚提到过,所以他们就转向了另一种制造方法,管对管技术。从概念上来看,这和钢架、钛架、铝架的焊接并没有什么不同。

来自Tsubasa的管对管技术的车架

在制造过程中,车架上的每一根碳管都是被单独生产的,有时候也会来自于一些碳纤维管制造商。这种方法大大的降低了车架制造的门槛,又可以控制车架几何角度,刚性和骑行体验。碳纤维管的选择决定车架的性能属性,而碳纤维管的长度决定车架的几何角度。也是使用的管对管技术制造

被切割的碳纤维管被放置在夹具上进行链接。一般碳纤维管的接口都会插入另一根碳纤维管内,外部用预浸碳进行缠绕加固。一些更先进的工艺会将车架放入真空袋内或者柔性或者刚性的磨具内进行压实,而有些车商则直接等树脂固化后就直接开始进行下一步准备。

这种方法对于自定义车架几何角度非常快捷,但是这是一个需要熟练操作来保证车架安全的技术。另外,该方法中碳纤维和树脂材料的冗余量相较于单壳体技术也会更高。

套管(Lugged)技术

和上边的管对管技术非常相似,碳管通过套管进行连接最终成为一个车架。和管对管不同的是,直接插入另一根碳管的设计被套管头所替代,通过预先生产各种规格的套管,并和碳管粘合组成车架。这和钢架的lug铜焊看起来十分类似。

梅花C60车架,套管也由碳纤维制造

一般,这种结构的车架上的套管也是由碳纤维制造,比如梅花的C60车架,但是也并非都是如此。和管对管一样,套管结构的车架可以更为灵活的控制几何角度,仅需要制造不同的套管就可以实现。

3D打印的钛合金五通

套管采用钛合金3D打印,其他部分为碳纤维管

最近的一个比较高科技的例子是澳大利亚的Bastion使用3D打印技术打印了钛材料的各种套管,以实现不同客户对不同几何角度的需求。更早一些的例子比如早期的BMC Teammachine(Tyler Hamilton在Phonak上使用的那辆),使用了带有铝合金套管的碳纤维车架。更早一些的例子还有trek的2300车架,大量的使用了套管技术。

BMC早期的Teammachine的套管由铝合金制造

trek的2300套管车架也同样适用铝合金套管加碳纤维的方法制造

不过,就像上边说到的管对管一样,套管碳纤维车架固有的比单壳体结构具有更多的材料重叠,因此在刚性-重量比上也更低一些。

别说是做一个,就是像我这样简单描述一遍都是需要大量的时间的。而且直到现在,碳纤维车架依然还是需要人来亲自上手制造的。从长远来看,这些年碳纤维自行车制造的变化并不大。但是,如果再深入一些了解,你就会发现在质量控制和工艺改进上,已经有了长足的进步。不管一个碳纤维车架是什么样子,但是可以肯定的是,它的性能远不止于你所看到的。魔鬼在细节里,特别是在创造如此轻巧,强大,舒适和安全的东西的时候。

好了,今天的内容就到这里,我们下期再见,单车基械匠,每天给您带来更多新奇,好玩,有趣,实用的单车知识。

 

 

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