Rama karbonowa nie powstaje z jednego kawałka materiału. To kilkaset warstw włókna węglowego, z których każda ma swoje miejsce i swój kierunek. Wyjaśnię, jak robi się to w większości fabryk na świecie, gdzie w tym procesie mogą pojawić się błędy i dlaczego my wybraliśmy inną drogę.
Krótko: dwie drogi do ramy karbonowej
Większość ram karbonowych powstaje z prepregu, czyli włókna wcześniej nasączonego żywicą. Ludzie ręcznie układają go warstwami, a potem rama utwardza się w gorącej formie. Druga, rzadsza droga to suche włókno i wtrysk żywicy (RTM). Maszyna układa włókno na rdzeniu, a żywicę wprowadza się do zamkniętej formy dopiero na końcu. My budujemy ramę tą drugą drogą.
Czym jest prepreg
Prepreg to skrót od angielskiego pre-impregnated, czyli „wstępnie nasączony”. To cienkie arkusze włókna węglowego, które producent materiału już nasączył żywicą epoksydową. Włókna mogą biec w jednym kierunku albo tworzyć tkaninę.
Żywica w prepregu zaczyna się powoli utwardzać już w temperaturze pokojowej. Dlatego rolki prepregu przechowuje się w chłodniach i mają one ograniczony czas przydatności. To jeden z powodów, dla których praca z prepregiem wymaga dobrej organizacji.
Rama z prepregu krok po kroku
1. Projekt laminatu
Zanim ktokolwiek dotknie materiału, konstruktor przygotowuje plan laminatu. To dokładna instrukcja, który kawałek prepregu trafia w które miejsce, w jakiej kolejności i pod jakim kątem. Liczbę warstw i ich kierunki wyznacza się z obliczeń wytrzymałościowych. Każdy rozmiar ramy ma zwykle własny plan, bo duża rama przenosi inne obciążenia niż mała.
2. Cięcie
Maszyna tnąca wycina z arkuszy prepregu wszystkie kawałki z planu. Na jedną ramę przypada ich zwykle kilkaset. Każdy ma swój numer i swoje miejsce.
3. Ręczne układanie
To najważniejszy i najbardziej pracochłonny etap. Pracownicy układają kawałki prepregu warstwa po warstwie na rdzeniu albo na nadmuchiwanym worku, który wypełnia wnętrze rury. Każdy kawałek trzeba położyć dokładnie, docisnąć i usunąć spod niego powietrze. Na jedną ramę potrzeba wielu godzin skupionej pracy.
4. Forma i ciśnienie
Ułożoną ramę zamyka się w metalowej formie. Worek w środku napompowuje się sprężonym powietrzem, które dociska włókno do ścianek formy od środka. Dzięki temu rama dostaje dokładny kształt zewnętrzny, a warstwy łączą się ze sobą.
5. Wypiekanie
Forma trafia do pieca albo grzeje się sama. Żywica w podwyższonej temperaturze twardnieje i zamienia luźne warstwy w jedną sztywną konstrukcję. Temperaturę i czas dobiera się według karty danej żywicy.
6. Obróbka i kontrola
Po wyjęciu z formy rama trafia do obróbki. Usuwa się nadmiar żywicy, wierci otwory, wkleja tuleje i gwinty, a potem szlifuje powierzchnię. Na końcu przychodzi kontrola, a po niej lakierowanie.
Monocoque, rury łączone i mufy
Ramy karbonowe buduje się na trzy sposoby.
- Monocoque: duża część ramy powstaje w jednej formie jako jeden element. Włókna mogą biec przez połączenia rur bez przerwy, ale formy są bardzo drogie.
- Rury łączone: osobno robi się rury, a potem łączy je, owijając złącza kolejnymi warstwami włókna.
- Mufy: rury wkleja się w łączniki, podobnie jak w klasycznych ramach stalowych.
Każdy sposób może dać dobrą ramę. Decyduje projekt i jakość wykonania.
Gdzie mogą pojawić się błędy
Ręczne układanie to sztuka. Doświadczeni ludzie robią to bardzo dobrze, ale człowiek się męczy, a każdy dzień pracy jest trochę inny. Badacze zajmujący się ramami z ręcznie układanego prepregu wymieniają typowe wady takiej produkcji:
- Pustki, czyli pęcherze powietrza uwięzione między warstwami.
- Fałdy, czyli zmarszczone włókno, które przestaje przenosić obciążenie tak, jak zaplanowano.
- Przesunięte włókna, które biegną pod innym kątem niż w projekcie.
- Miejsca z nadmiarem albo niedoborem żywicy, które są słabsze albo cięższe niż powinny.
Takich wad zwykle nie widać z zewnątrz. Wykrywa się je ultradźwiękami albo tomografią komputerową. Te badania są drogie i trudne do odczytania na złożonym kształcie ramy. Część producentów sprawdza tylko wybrane sztuki z partii, a niektórzy skanują każdy egzemplarz. Jakość laminatu w branży z roku na rok się poprawia, ale ryzyko błędu ręcznej pracy nie znika.
Dlatego w karbonie różnica między dobrą a słabą ramą jest większa niż w aluminium. Pisałem o tym w artykule Rama karbonowa czy aluminiowa.
Druga droga: suche włókno, maszyna i RTM
Zamiast prepregu można użyć suchego włókna, bez żywicy. Maszyna nawija albo oplata je na rdzeniu w kształcie rury. Potem rdzeń z włóknem trafia do zamkniętej formy, a żywicę wtryskuje się do środka pod ciśnieniem. Ta technologia nazywa się RTM, od angielskiego Resin Transfer Moulding, czyli formowanie z wtryskiem żywicy.
Ta droga ma swoje zalety:
- Powtarzalność. Maszyna układa włókno pod tym samym kątem za każdym razem, bez względu na porę dnia.
- Mniej odpadu. Prepreg jest drogi i przy cięciu zostaje go sporo. Suche włókno z rolki układa się tam, gdzie jest potrzebne.
- Kontrola. Każdy etap ma swoje parametry i zapis, więc wiadomo, jak powstała konkretna rama.
Ma też wady, o których trzeba mówić uczciwie. Formy do RTM są drogie i muszą być bardzo dokładne. Zbudowanie i dopracowanie takiego procesu zajmuje dużo czasu. Zmiana projektu ramy wymaga zmiany formy i ustawień maszyn. Dlatego tę technologię częściej spotyka się w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym niż w rowerach.
Jak robimy to u nas
U nas maszyna nawija surowe włókno węglowe Toray, a technologia RTM zamienia je w ramę. Z tego budujemy własny, półautomatyczny proces, w którym każdy etap pilnuje maszyna i człowiek, a nie przypadek. Więcej o tym, skąd ten pomysł, piszę na stronie O Konstruktorze.
Formę z aluminium do prototypu już mamy, a pierwsze próby oplotu pokazujemy w Dzienniku budowy. Nie publikujemy ustawień maszyn, kątów ani receptur żywicy, bo to wiedza, na której opiera się firma. Każdy etap, który da się pokazać, pokażemy, także wtedy, gdy coś nie wyjdzie za pierwszym razem.
Najczęstsze pytania
Czy ręcznie robiona rama karbonowa jest gorsza? Nie musi być. Doświadczony zespół robi bardzo dobre ramy z prepregu. Ręczna praca ma jednak większy rozrzut jakości, dlatego tak ważna jest kontrola gotowych ram.
Ile warstw ma rama karbonowa? Zależy od projektu i miejsca w ramie. Na całą ramę przypada zwykle kilkaset kawałków materiału. Najwięcej warstw jest tam, gdzie działają największe siły, na przykład przy suporcie i główce ramy.
Co to jest rama monocoque? To rama, której duża część powstaje w jednej formie jako jeden element. Włókna biegną przez połączenia rur bez przerwy.
Jak sprawdzić, czy rama karbonowa nie ma wad? Pewnie tylko badaniem ultradźwiękami albo tomografią. Przy zakupie pytaj producenta, jak kontroluje ramy i czy każda ma numer oraz historię produkcji.
Bądź przy tym od początku
Co dwa tygodnie piszę List z fabryki: co zrobiliśmy w warsztacie, co nie wyszło i co poprawiamy. Nic nie płacisz.
Każde włókno na swoim miejscu.
Michał · Konstruktor
Źródła
- Patenty USA o formowaniu ram kompozytowych z workiem ciśnieniowym (US 4902458, US 5271784 i in.), uspto.gov
- Mitacs: Manufacturing and assessment of high-performance bicycle frames (wady ręcznego układania), mitacs.ca
- University of Dayton: porównanie 8 metod badań nieniszczących laminatu węglowego, ecommons.udayton.edu
- BikeBiz: Why isn’t the bike industry scanning composites for flaws, bikebiz.com
- CompositesWorld: badania nieniszczące ram rowerowych, compositesworld.com
- TOUR: Carbon production – what you need to know, tour-magazin.de
- Merida: Karbonowe rzemiosło, merida-bikes.com