Produsen suka membual tentang serat karbon, jadi Pengendara Sepeda memutuskan untuk menyelidiki apa artinya ini dan bagaimana pengaruhnya terhadap kinerja
Sepeda, tak perlu dikatakan lagi, adalah hadiah Natal terbaik yang pernah ada, tetapi dengan kemungkinan pengecualian anak anjing, itu juga yang paling sulit untuk dibungkus. Kasihan sekali perancang bingkai yang malang yang harus membungkus dan menggantungkan karbon di sekitar lekukan rumitnya sehingga, ketika dipanggang dan selesai, bingkai itu memberikan nuansa berkendara yang diinginkan. Konstruksi rangka serat karbon adalah teka-teki 3D kompleks yang melampaui Kubus Rubik.
Keindahan karbon adalah, tidak seperti logam, beberapa bagian dapat berlapis pada berbagai tingkat persimpangan dan tumpang tindih untuk memberikan kontrol yang sangat ketat atas atribut kinerja dan kekuatan yang diperlukan pada titik tertentu dari rangka sepeda. Kelemahannya adalah karbon bersifat anisotropik – lebih kuat dalam satu arah daripada yang lain dengan cara yang mirip dengan kayu – yang berarti kekuatan bergantung pada arah serat. Agar karbon dapat membawa beban yang signifikan, gaya harus diarahkan sepanjang seratnya, yang membuat arah serat menjadi sangat penting. Bagian penyusun rangka sepeda mengalami gaya ke beberapa arah, artinya serat karbon juga harus berjalan ke beberapa arah. Itu sebabnya lapisan yang berbeda memiliki serat mereka pada sudut yang berbeda, biasanya 0 ° (sejajar), +45 °, -45 °, +90° dan -90 °, dan memang setiap sudut dipilih oleh desainer jika itu akan menciptakan atribut yang diinginkan..
Di kedalaman
Begitulah untuk semua bingkai karbon. Di bawah eksterior yang berkilau terdapat banyak lapisan potongan serat karbon yang kekakuan, kekuatan, bentuk, ukuran, posisi dan orientasinya telah direncanakan dengan susah payah, biasanya dengan kombinasi paket perangkat lunak komputer dan keahlian insinyur. Ini dikenal sebagai jadwal lay-up, atau hanya lay-up. Ketika jigsaw karbon selesai, sepeda harus ringan, responsif, hemat biaya, dan mampu menahan gaya bersepeda yang paling ekstrem.
Profesor Dan Adams, direktur laboratorium mekanika komposit di Universitas Utah di S alt Lake City, yang juga seorang pengendara sepeda dan terlibat dalam pengembangan kerangka karbon pertama Trek, mengatakan bahwa membangun apa pun dari karbon adalah segalanya tentang jadwal lay-up yang benar. 'Ini menentukan orientasi lapisan individu atau lapisan prepreg karbon/epoksi, ditumpuk untuk membuat ketebalan bagian akhir,' katanya. 'Beberapa bagian bingkai lebih mudah dipasang daripada yang lain. Tabungnya relatif sederhana tetapi sambungan di antara mereka adalah beberapa lay-up lapis paling kompleks yang akan Anda lihat di bagian produksi di industri mana pun yang menggunakan karbon secara struktural, termasuk dirgantara dan otomotif.’
Sifat anisotropik karbon juga membuat pemilihan karbon yang tepat menjadi sangat penting. Paling sederhana, ada dua cara karbon dipasok. Searah (UD) memiliki semua serat karbon yang berjalan dalam satu arah, sejajar satu sama lain. Alternatif untuk UD adalah kain tenun, atau 'kain'. Ini memiliki serat yang berjalan dalam dua arah, berjalan di bawah dan di atas satu sama lain di sudut kanan untuk memberikan tampilan klasik serat karbon. Dalam kain paling sederhana, yang dikenal sebagai tenunan polos, serat-seratnya berenda di bawah dan di atas pada setiap persilangan (disebut '1/1') untuk menghasilkan pola seperti kisi-kisi. Ada banyak kemungkinan pola menenun lainnya. Twill (2/2) sedikit lebih longgar sehingga lebih mudah digantung dan mudah dikenali dari pola diagonalnya, yang terlihat seperti chevron.
Modulus (ukuran elastisitas) dari serat juga penting untuk lay-up tertentu. Modulus mendefinisikan seberapa kaku serat. Serat modulus standar, dengan nilai 265 gigapascal (GPa) kurang kaku dibandingkan serat modulus menengah dengan nilai 320GPa. Lebih sedikit karbon modulus yang lebih tinggi diperlukan untuk membuat komponen dengan kekakuan yang sama, yang menghasilkan produk yang lebih ringan. Oleh karena itu, serat modulus yang lebih tinggi mungkin tampak seperti pilihan yang lebih disukai, tetapi ada masalah. Sebuah analogi dapat dibuat dengan karet gelang versus sepotong spageti. Karet gelang sangat elastis (memiliki modulus rendah) dan dapat ditekuk dengan sedikit gaya yang diterapkan tetapi tidak akan putus, ditambah lagi akan kembali ke bentuk aslinya setelah ditekuk. Spaghetti, di sisi lain, sangat kaku (modulus tinggi) sehingga akan menahan deformasi sampai titik tertentu, dan kemudian pecah begitu saja. Departemen pemasaran sering membanggakan penyertaan modulus serat tertentu dalam desain rangka terbaru, tetapi dalam kebanyakan kasus, rangka sepeda adalah keseimbangan yang cermat dari beberapa jenis modulus dalam susunan untuk menghasilkan kombinasi kekakuan, daya tahan, dan kelenturan yang diinginkan..
Ada satu variabel lagi yang perlu dipertimbangkan. Sehelai serat karbon sangat tipis – jauh lebih tipis dari rambut manusia, jadi mereka disatukan untuk membentuk apa yang disebut 'tow'. Untuk sepeda, derek dapat memuat apa saja antara 1.000 dan 12.000 helai, meskipun 3.000 (ditulis sebagai 3K) adalah yang paling umum.
Serat ini, serat itu
Itulah dasar-dasarnya, tetapi membuat lay-up menjadi rumit. 'Dari sudut pandang kekuatan dan kekakuan murni, komposit ideal akan memiliki proporsi serat tertinggi terhadap resin yang mungkin dan paling sedikit menekuk serat,' kata Dr Peter Giddings, seorang insinyur penelitian di National Composites Centre, Bristol, yang telah bekerja dengan sepeda dan membalapnya selama bertahun-tahun. 'Serat searah, setidaknya secara teoritis, adalah pilihan terbaik untuk ini. Bahan UD memiliki rasio kekakuan-terhadap-berat yang meningkat dalam arah serat. Sayangnya komposit UD lebih rentan terhadap kerusakan dan, sekali rusak, lebih cenderung gagal daripada kain tenun.’
Membuat rangka secara eksklusif dari lapisan karbon UD akan menghasilkan sepeda yang sangat rapuh, belum lagi mahal karena bahan dan biaya jam kerja. Oleh karena itu anyaman karbon mendominasi dan merupakan pilihan yang jelas untuk setiap area di mana terdapat lekukan yang rapat dan bentuk sambungan yang rumit. Terlebih lagi, orang-orang menyukai penampilannya. 'Secara estetika, bahan tenun dianggap terlihat lebih baik daripada bahan searah dan persepsi publik tentang komposit adalah kain tenun,' kata Giddings. ‘Faktanya, banyak produsen mengecat [oleh karena itu menyembunyikan] area di mana konstruksi rangka mencegah penampilan anyaman yang halus.’
Kemudahan fabrikasi juga harus diperhitungkan dalam jadwal lay-up untuk memperhitungkan biaya tenaga kerja. Untuk sambungan dan bentuk yang kompleks, akan membutuhkan waktu lebih lama untuk membuat lay-up yang ideal dengan serat UD. Ini adalah alasan lain mengapa kain tenun adalah pilihan yang disukai sebagian besar produsen sepeda karbon. 'Kain tenun lebih mudah digunakan daripada UD dan membutuhkan lebih sedikit keterampilan untuk menyesuaikannya dengan bentuk yang diinginkan, ' kata Giddings. 'UD memiliki kecenderungan untuk membelah atau berbelit-belit di sekitar bentuk yang kompleks. Kain tenunan longgar lebih mudah menyesuaikan diri dan kekuatan keseluruhan struktur tidak terlalu terpengaruh oleh cacat manufaktur kecil.'
Produsen cenderung memilih lay-up dengan anyaman karbon di area yang paling kompleks, seperti braket bawah dan sambungan tabung kepala, tetapi tetap tidak sesederhana kedengarannya karena ada faktor lain yang perlu dipertimbangkan. 'Anda ingin menjaga kontinuitas orientasi serat tidak hanya di sekitar persimpangan, tetapi melalui dan di luarnya,' kata Paul Remy, seorang insinyur sepeda di Scott Sports. ‘Mungkin ada lengkungan kompleks di persimpangan seperti braket bawah sehingga Anda harus memikirkan cara untuk melanjutkan orientasi serat, untuk mentransfer beban ke seluruh mereka.’
Di sinilah frame engineer seperti Remy berterima kasih atas bantuan ilmu komputer. Di masa lalu satu-satunya cara untuk mengetahui bagaimana berbagai perubahan jadwal lay-up dapat mempengaruhi hasil akhir adalah dengan membangun dan menguji beberapa prototipe, tetapi sekarang jadwal lay-up dapat diuji dengan tingkat akurasi yang sangat tinggi oleh komputer sebelum untaian serat tunggal telah mendarat di cetakan bingkai.
‘Sebelumnya sangat sulit untuk mengetahui apa efek mengubah hanya satu bagian dari lay-up akan berdampak pada kinerja frame, ' kata Remy.
Bob Parlee, pendiri Parlee Cycles yang berbasis di Massachusetts, mengingat masa lalu sebelum komputer melakukan semua angka dengan senang hati: 'Jika Anda memahami beban pada struktur rangka seperti bingkai, lay-up sangat mudah, jadi awalnya saya bisa mengerjakannya sendiri di kepala saya.' Parlee sejak itu mengakui analisis elemen hingga komputer (FEA) memiliki tempatnya. 'Awalnya saya tidak akan membuat lubang di tabung bingkai [untuk titik masuk kabel atau dudukan sangkar botol] karena itu adalah titik lemah yang potensial, tetapi sekarang FEA memberi tahu kami apa yang harus dilakukan untuk memperkuat lubang itu, ' katanya.
Meningkatkan daya komputasi bersama dengan perangkat lunak yang semakin canggih memungkinkan para insinyur untuk menganalisis banyak model virtual dalam waktu singkat dan mendorong batas desain dan material. Menurut insinyur desain khusus Chris Meertens, 'Iterasi adalah nama permainan. Alat FEA membuat model bingkai yang representatif dan tujuannya adalah untuk mendapatkan setiap serat yang diperhitungkan. Perangkat lunak ini memungkinkan saya untuk mendesain setiap lapisan, berdasarkan model pengoptimalan untuk 17 kotak beban yang kami miliki untuk kerangka model.’
Artinya adalah perangkat lunak menginstruksikan Meertens berapa banyak karbon yang harus ada di setiap area bingkai, dan orientasi optimal untuk serat. Namun, keterampilannya adalah mengetahui apa yang bisa dan tidak mungkin dilakukan dengan carbon lay-up. Terkadang komputer memuntahkan cita-cita yang jauh dari ideal. 'Sebagian besar waktu saya melihatnya dan berkata, 'Tidak mungkin kita bisa melakukan itu,'' kata Meertens. 'Jadi saya sibuk dengan perangkat lunak draping laminasi untuk memotong lapisan virtual dan menggantungkannya pada mandrel virtual, mendasarkannya pada kelayakan manufaktur dan pengoptimalan laminasi.'
Bahkan menggunakan perangkat lunak komputer, ini bisa memakan waktu berhari-hari untuk diuraikan, dan masih ada jalan panjang sebelum lay-up akhirnya ditentukan. Salah satu aspek di mana elemen manusia sangat penting adalah memastikan kualitas serat yang tepat digunakan di tempat yang tepat. Meertens mengatakan, serat '0° sangat kaku tetapi tidak memiliki kekuatan benturan yang baik, jadi, untuk menjaga agar komposit tetap toleran terhadap kerusakan, kita harus menghindari meletakkan terlalu banyak di tempat-tempat seperti bagian bawah tabung bawah. Saya akan tahu pada tahap ini bentuk lapisan apa yang saya butuhkan, tetapi sekarang saya ingin tahu berapa banyak dari setiap lapisan. Jadi saya menjalankan program pengoptimalan lain yang memberi tahu saya seberapa tebal saya harus membuatnya – pada dasarnya jumlah lapisan. Ini akan menganalisis di mana saja dari 30 hingga 50 kombinasi lapisan. Kami akan menjalankan siklus draping dan pengoptimalan virtual empat atau lima kali, menyempurnakan lapisan sedikit lebih banyak setiap kali. Tetapi pada titik tertentu kita perlu menekan “Go” dan mengirimkannya.’
Panduan pasti
Jadwal lay-up seperti peta 3D, merinci setiap potongan karbon berbentuk di setiap lapisan. “Rangka dibagi menjadi sembilan zona: dua seattays, dua chainstays, braket bawah, jok, tabung atas, kepala dan bawah,” kata Meertens.'Kami menentukan datum, yang merupakan sumbu, untuk setiap zona. Orientasi setiap potongan karbon dalam suatu zona kemudian dihubungkan dengan datum tersebut. Sebuah tabung bawah mungkin memiliki lapisan pada 45 °, 30 ° dan 0 ° relatif terhadap datum lokal. Secara umum, bahan kekuatan yang lebih tinggi digunakan off-axis, pada suatu sudut. Bahan modulus yang lebih tinggi kami gunakan secara aksial, pada 0°.’
File yang dihasilkan dapat berukuran hingga 100Mb dan akhirnya diteruskan ke lantai pabrik. Setiap pekerja di pabrik hanya menerima bagian yang relevan dengan bagian bingkai yang menjadi tanggung jawab mereka untuk membuatnya. Ini masih belum menjalankan produksi akhir. Bingkai yang dibangun adalah prototipe pada tahap ini dan perlu diuji untuk memastikan hasil lay-up yang dirancang secara digital dalam bingkai yang berfungsi dalam praktik. Ultrasound, pemeriksaan sinar-X dan diseksi fisik mengungkapkan ketebalan laminasi. Di tempat lain matriks resin akan dibakar untuk mengekspos kualitas laminasi dan apakah bahan atau serat telah bermigrasi. Tes lentur harus menunjukkan hasil yang sama dengan analisis FEA. Namun pada akhirnya, manusialah yang mengeluarkannya di jalan.
‘Mengendarai sepeda adalah satu-satunya cara kami benar-benar dapat mengukurnya, ' kata Bob Parlee. ‘Kami dapat melakukan uji pembengkokan dan beban, tetapi kami harus keluar dan mengendarainya untuk melihat apakah kinerjanya seperti yang kami inginkan.’ Ketika model tersebut lolos, produksi akhirnya diberi lampu hijau.
Sebagian besar produksi sepeda terjadi di Timur Jauh, dan ini menempatkan jadwal lay-up yang lebih penting. Rencana rinci yang halus, jika diikuti dengan surat, harus memastikan produk yang keluar dari pabrik-pabrik besar adalah kembar identik dari yang diuji dan lulus pada tahap prototipe akhir. Tentu saja sebagian besar merek terus menguji dan menguji ulang kerangka produksi untuk memastikan konsistensi sehingga sepeda yang sampai di toko memenuhi harapan pelanggan. Dalam kebanyakan kasus, pabrikan juga dapat melacak seluruh perjalanan bingkai, kembali ke asal-usul untaian serat pertama. Yang merupakan sesuatu untuk dipikirkan saat berikutnya Anda berdiri dan mengagumi kebanggaan dan kegembiraan Anda.
