제조업체는 탄소 섬유 적층에 대해 자랑하는 것을 좋아하므로 Cyclist는 이것이 의미하는 바와 성능에 미치는 영향을 조사하기로 결정했습니다
자전거는 말할 것도 없이 최고의 크리스마스 선물이지만 강아지를 제외하고는 포장하기 가장 어렵습니다. 굽고 완성되었을 때 프레임이 원하는 승차감을 제공하도록 복잡한 곡선 주위에 탄소를 감싸고 드레이프해야 하는 불쌍한 프레임 디자이너를 불쌍히 여기십시오. 탄소 섬유 프레임의 구조는 Rubik's Cube를 가리는 복잡한 3D 퍼즐입니다.
카본의 장점은 금속과 달리 여러 조각을 교차 각도와 겹침을 다양하게 하여 자전거 프레임의 특정 지점에서 요구되는 성능 속성과 강도를 매우 엄격하게 제어할 수 있다는 것입니다.단점은 탄소가 등방성이라는 것입니다. 즉, 나무와 비슷한 방식으로 한 방향으로 더 강합니다. 즉, 강도는 섬유 방향에 따라 달라집니다. 탄소가 상당한 하중을 전달하려면 힘이 섬유를 따라 전달되어야 하므로 섬유 방향이 절대적으로 중요합니다. 자전거 프레임의 구성 요소는 여러 방향으로 힘을 받습니다. 즉, 탄소 섬유도 여러 방향으로 움직여야 합니다. 그렇기 때문에 레이어마다 섬유가 서로 다른 각도, 일반적으로 0°(인라인), +45°, -45°, +90° 및 -90°, 그리고 원하는 속성을 생성할 경우 디자이너가 선택한 모든 각도의 섬유가 있는 이유입니다..
깊은 곳에서
모든 카본 프레임이 그렇습니다. 광택이 나는 외부 아래에는 강성, 강도, 모양, 크기, 위치 및 방향이 일반적으로 컴퓨터 소프트웨어 패키지와 엔지니어의 전문 지식의 조합으로 공들여 계획된 탄소 섬유 조각의 여러 층이 있습니다.이것을 레이업 일정 또는 레이업이라고 합니다. 탄소 퍼즐이 완성되면 자전거는 가볍고 반응성이 좋고 비용 효율적이어야 하며 사이클링의 가장 극한의 힘을 견딜 수 있어야 합니다.
트렉의 첫 탄소 프레임 개발에 참여했던 솔트레이크시티 유타 대학의 복합 역학 연구소 소장인 Dan Adams 교수는 탄소로 무엇이든 만드는 것이 전부라고 말합니다. 정확한 레이업 일정에 대해. '최종 부품 두께를 만들기 위해 쌓인 개별 플라이 또는 탄소/에폭시 프리프레그 층의 방향을 지정합니다.'라고 그는 말합니다. '어떤 프레임 부품은 다른 부품보다 쌓기 쉽습니다. 튜브는 비교적 단순하지만 이들 사이의 접합부는 항공우주 및 자동차를 포함하여 구조적으로 탄소를 사용하는 모든 산업의 생산 부품에서 볼 수 있는 가장 복잡한 플라이 레이업입니다.'
탄소의 등방성 특성도 올바른 탄소 선택을 중요하게 만듭니다.가장 간단하게 탄소가 공급되는 두 가지 방법이 있습니다. 단방향(UD)은 모든 탄소 섬유가 서로 평행한 한 방향으로 진행됩니다. UD의 대안은 직물 또는 '천'입니다. 그것은 탄소 섬유의 고전적인 외관을 제공하기 위해 직각으로 서로 아래로 그리고 위로 두 방향으로 흐르는 섬유를 가지고 있습니다. 평직으로 알려진 가장 단순한 직물에서 섬유는 모든 교차('1/1'이라고 함)에서 아래로 끈으로 묶여 격자와 같은 패턴을 생성합니다. 다른 많은 가능한 직조 패턴이 있습니다. 능직(2/2)은 약간 루즈해서 드레이프하기 쉽고 셰브론처럼 보이는 사선 패턴으로 쉽게 알아볼 수 있습니다.
섬유의 모듈러스(탄성 측정)도 주어진 레이업의 기본입니다. 모듈러스는 섬유가 얼마나 단단한지를 정의합니다. 265 기가파스칼(GPa) 등급의 표준 모듈러스 섬유는 320GPa 등급의 중간 모듈러스 섬유보다 덜 뻣뻣합니다.동일한 강성의 구성 요소를 만드는 데 더 적은 탄소 계수가 필요하므로 제품이 더 가벼워집니다. 따라서 더 높은 모듈러스 섬유가 더 나은 선택처럼 보일 수 있지만 문제가 있습니다. 고무줄 대 스파게티 조각으로 비유할 수 있습니다. 고무 밴드는 매우 탄력적이며(낮은 계수를 가짐) 아주 적은 힘으로 구부릴 수 있지만 부러지지 않을 뿐만 아니라 구부린 후에도 원래 모양으로 돌아갑니다. 반면에 스파게티는 매우 뻣뻣하기 때문에(높은 계수) 변형에 저항한 다음 간단히 부러집니다. 마케팅 부서는 종종 최신 프레임 디자인에 특정 섬유 모듈러스를 포함한다고 자랑하지만 대부분의 경우 자전거 프레임은 강성, 내구성 및 유연성의 바람직한 조합을 제공하기 위해 레이업 내에서 여러 유형의 모듈러스의 신중한 균형입니다..
고려할 변수가 하나 더 있습니다. 탄소 섬유 한 가닥은 사람의 머리카락보다 훨씬 가늘기 때문에 '토우'라고 불리는 것을 형성하기 위해 함께 묶입니다.자전거의 경우 견인에는 1,000에서 12,000 가닥 사이의 모든 가닥이 포함될 수 있지만 3,000(3K로 표기)이 가장 일반적입니다.
이 섬유, 저 섬유
이것이 기본이지만 레이업을 만드는 것은 복잡합니다. '순수한 강도와 강성의 관점에서 볼 때 이상적인 복합 재료는 가능한 가장 높은 섬유 대 수지 비율을 가지며 섬유의 굴곡이 가장 적습니다.'라고 브리스톨 국립 복합 재료 센터의 연구 엔지니어인 Peter Giddings 박사는 말합니다. 자전거와 함께 일했고 수년 동안 그들을 경주했습니다. '최소한 이론적으로 단방향 섬유가 이를 위한 최선의 선택입니다. UD 재료는 섬유 방향으로 증가된 강성 대 중량 비율을 가지고 있습니다. 불행히도 UD 합성물은 손상되기 쉽고 일단 손상되면 직물보다 실패할 가능성이 더 큽니다.'
UD 카본 레이어로만 프레임을 제작하려면 재료와 인건비로 인해 엄청나게 비싼 것은 물론이고 위험할 정도로 부서지기 쉬운 자전거를 만들 것입니다.따라서 직조된 탄소가 지배적이며 단단한 곡선과 복잡한 조인트 모양이 있는 모든 영역에서 확실한 선택입니다. 게다가 사람들은 그 모습을 좋아합니다. '미학적으로 직조된 재료는 단방향 재료보다 더 잘 보이는 것으로 간주되며 합성물에 대한 대중의 인식은 직조된 직물입니다.'라고 Giddings는 말합니다. '사실, 많은 제조업체들이 프레임 구조가 매끄럽고 짜여진 모양을 방해하는 영역을 [따라서 은폐] 페인트합니다.'
제작의 용이성 또한 인건비를 고려하기 위해 레이업 일정에 고려되어야 합니다. 복잡한 조인트와 모양의 경우 UD 섬유로 이상적인 레이업을 만드는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸립니다. 직물이 대부분의 탄소 자전거 제조업체에서 선호되는 또 다른 이유입니다. '짠 천은 UD보다 작업하기 쉽고 필요한 모양에 맞추는 데 기술이 덜 필요합니다.'라고 Giddings는 말합니다. 'UD는 복잡한 모양을 중심으로 쪼개지거나 꼬이는 경향이 있습니다. 느슨하게 짜여진 직물은 더 쉽게 맞고 구조의 전체 강도는 사소한 제조 결함의 영향을 덜 받습니다.'
제조업체는 버텀 브래킷 및 헤드 튜브 접합부와 같은 가장 복잡한 영역에서 직조 탄소를 사용한 레이업을 선택할 가능성이 높지만 고려해야 할 또 다른 요소가 있기 때문에 생각만큼 간단하지 않습니다. Scott Sports의 자전거 엔지니어인 Paul Remy는 '접합부 주변뿐만 아니라 교차점을 통해 섬유 방향의 연속성을 유지하기를 원합니다.'라고 말합니다. '바텀 브래킷과 같은 접합부에는 복잡한 곡률이 있을 수 있으므로 섬유 방향을 계속 유지하고 전체 하중을 전달하는 방법을 생각해야 합니다.'
여기에 레미와 같은 프레임 엔지니어들이 컴퓨터 공학의 도움에 감사하는 마음이 있습니다. 과거에는 다양한 레이업 일정 변경이 최종 결과에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 알 수 있는 유일한 방법은 여러 프로토타입을 제작하고 테스트하는 것이었지만 이제는 레이업 일정을 컴퓨터로 매우 높은 정확도로 테스트할 수 있습니다. 단일 가닥의 섬유가 프레임 금형에 닿았습니다.
'예전에는 레이업의 한 부분만 변경하면 프레임 성능에 어떤 영향을 미치는지 알기가 정말 어려웠습니다. '라고 Remy는 말합니다.
매사추세츠에 기반을 둔 Parlee Cycles의 설립자인 Bob Parlee는 컴퓨터가 모든 숫자를 계산하기 전의 옛날을 회상합니다. '프레임과 같은 트러스 구조의 하중을 이해한다면 레이업은 간단합니다., 그래서 처음에는 머리 속에서 스스로 해결할 수 있었습니다.' Parlee는 그 이후로 컴퓨터 유한 요소 분석(FEA)이 그 자리를 차지하고 있음을 인정했습니다. '원래는 [케이블 진입점이나 병 케이지 마운트용] 프레임 튜브에 구멍을 뚫지 않았습니다. 왜냐하면 그들이 잠재적인 약점이었기 때문입니다. 하지만 이제는 FEA에서 그 구멍을 강화하기 위해 무엇을 해야 하는지 알려줍니다.'라고 그는 말합니다.
더욱 정교해진 소프트웨어와 함께 향상된 컴퓨팅 성능으로 엔지니어는 짧은 시간에 많은 가상 모델을 분석하고 디자인과 재료의 한계를 뛰어 넘을 수 있습니다. Specialized 디자인 엔지니어 Chris Meertens에 따르면 '반복은 게임의 이름입니다. FEA 도구는 프레임의 대표적인 모델을 만들고 목표는 모든 섬유를 설명하는 것입니다. 이 소프트웨어를 사용하면 모델 프레임에 대해 가지고 있는 17개의 로드 케이스에 대한 최적화 모델을 기반으로 각 플라이를 설계할 수 있습니다.'
그것이 의미하는 바는 소프트웨어가 프레임의 각 영역에 얼마나 많은 탄소가 있어야 하는지와 섬유의 최적 방향을 지시한다는 것입니다. 그러나 기술은 탄소 적층으로 가능한 것과 불가능한 것을 아는 것입니다. 때때로 컴퓨터는 이상과는 거리가 먼 이상을 내뱉습니다. '대부분의 경우 저는 그것을 보고 "우리가 할 수 있는 방법이 없습니다"라고 말합니다.'라고 Meertens는 말합니다. '그래서 저는 적층 드레이핑 소프트웨어에 몰두하여 가상 플라이를 절단하고 가상 맨드릴에 드레이프하여 제조 가능성과 적층 최적화를 기반으로 합니다.'
컴퓨터 소프트웨어를 사용하더라도 이를 해독하는 데 며칠이 걸릴 수 있으며 레이업이 최종적으로 정의되기까지는 아직 갈 길이 멉니다.인적 요소가 필수적인 한 가지 측면은 올바른 섬유 등급이 올바른 장소에 사용되었는지 확인하는 것입니다. Meertens는 '0° 섬유는 매우 뻣뻣하지만 충격 강도가 좋지 않으므로 복합재 손상 내성을 유지하려면 다운 튜브의 바닥과 같은 장소에 너무 많이 두는 것을 피해야 합니다. 이 단계에서 어떤 플라이 모양이 필요한지 알겠지만 이제 각 플라이가 몇 개인지 알고 싶습니다. 그래서 나는 그것들을 얼마나 두껍게 만들어야 하는지를 알려주는 또 다른 최적화 프로그램을 실행합니다. 본질적으로 레이어 수입니다. 30~50개의 플라이 조합을 분석합니다. 가상 드레이핑 및 최적화 주기를 4~5회 실행하여 매번 플라이를 미세 조정합니다. 하지만 언젠가는 '고'를 눌러 보내야 합니다.'
정확한 가이드
레이업 일정은 3D 지도와 같으며 각 레이어의 각 탄소 조각을 자세히 설명합니다. '프레임은 2개의 시트스테이, 2개의 체인스테이, 바텀 브래킷, 시트, 탑, 헤드 및 다운 튜브의 9개 구역으로 구분됩니다.'라고 Meertens는 말합니다.'영역별로 축이 되는 데이텀을 지정한다. 그러면 구역에 있는 모든 탄소 조각의 방향이 해당 데이텀과 관련됩니다. 다운 튜브에는 로컬 데이텀에 대해 45°, 30° 및 0°의 플라이가 있을 수 있습니다. 일반적으로 더 높은 강도의 재료는 축에서 벗어난 각도로 사용됩니다. 0°에서 축 방향으로 사용하는 더 높은 모듈러스 재료.'
결과 파일의 크기는 최대 100Mb이며 결국 공장 현장으로 전달됩니다. 공장의 각 작업자는 자신이 담당하는 프레임 부분과 관련된 부분만 받습니다. 이것은 아직 최종 생산 실행이 아닙니다. 제작된 프레임은 이 단계의 프로토타입이며 실제로 작동하는 프레임에서 디지털로 설계된 레이업 결과를 보장하기 위해 테스트해야 합니다. 초음파, X-선 검사 및 물리적 해부는 라미네이트 두께를 나타냅니다. 다른 곳에서는 수지 매트릭스가 연소되어 라미네이션의 품질과 재료 또는 섬유의 이동 여부가 노출됩니다. 굽힘 테스트는 FEA 분석과 동일한 결과를 보여야 합니다.하지만 결국 길에서 꺼내는 건 인간이다.
'자전거를 타는 것은 우리가 그것을 진정으로 수량화할 수 있는 유일한 방법입니다'라고 Bob Parlee는 말합니다. '굽힘 및 하중 테스트를 수행할 수 있지만 원하는 대로 작동하는지 확인하려면 밖으로 나가서 타야 합니다.' 모델이 소집을 통과하면 마침내 생산이 승인됩니다.
대부분의 자전거 생산은 극동 지역에서 이루어지므로 레이업 일정이 훨씬 더 중요합니다. 서신을 따른다면 세부 계획은 이러한 대형 공장에서 나오는 제품이 최종 프로토타입 단계에서 테스트되고 통과된 제품의 일란성 쌍둥이임을 보장해야 합니다. 물론 대부분의 브랜드는 매장에 도착하는 자전거가 고객의 기대를 충족할 수 있도록 일관성을 보장하기 위해 생산 프레임을 지속적으로 테스트하고 다시 테스트합니다. 대부분의 경우 제조업체는 프레임의 전체 여정을 최초의 섬유 가닥의 기원까지 추적할 수도 있습니다. 이것은 다음에 서서 자부심과 기쁨에 감탄할 때 생각해야 할 것입니다.
