Рамы из льна и карбона

• Как делаются рамы из льна и карбона?
• Амортизация натуральных волокон армированных композитных материалов
• Современное натуральное волокно усиливает композитные материалы

Museeuw Bikes - первая велосипедная компания в мире, создающая рамы для спортивных велосипедов из гибридной ткани. В ней углеродные волокна переплетены с волокнами натурального льна.

Как делаются рамы из льна и карбона?

При уборке льна применяется серия традиционных техник: молотьба, замачивание, зачистка, прядение и ткачество. Конечный продукт представляет собой ткань, которая, когда хорошо соткана, очень прочна.

После высыхания этот материал пропитывается эпоксидными смолами. В результате получается текстиль, называемый «препрег», который затем скатывается и хранится при температуре -18 по Цельсию, чтобы обеспечить стабильность эпоксидной матрицы. Следующим шагом является формирование рамы: препрег обертывается вокруг заранее приготовленного шаблона и накладывается слой за слоем до достижения необходимой формы.

Каждый размер и модель рамы имеет свое уникальное построение, с ориентацией каждого слоя материала, определяемой предполагаемым использованием этой рамы.

По расположению и укладке слоев каждая рама может быть тонко настроена на определенные характеристики. Например, накладыванием большего количества слоев раме можно добавить жесткости или, наоборот, уменьшив слои сделать ее более пластичной.

Каждый из слоев кладется с большим мастерством и стремлением к совершенству - не говоря уже о многих месяцах исследований и разработок порядка укладки каждого слоя.

Точная спецификация каждого из этих слоев – тщательно охраняемый секрет, но материал Museeuw Way это только одна из причин того, что рамы Museeuw превосходят конкурентов с их конструкцией «один и тот же слой подходит для всего». Затем пресс-форма закрывается и рама из препрега становится жесткой (затвердевает) в процессе, который сочетает температуру и давление. Это производится в машине, которая называется автоклав.

Давление на раму прикладывается как изнутри, так и снаружи, обеспечивая отсутствие пустот между слоями и равномерное распределение эпоксидной смолы по всей структуре. После охлаждения пресс-формы открываются и рама вынимается для кропотливой ручной обработки.

Теперь каждая рама строго проверяется и тщательно испытывается как визуально, так и на чрезвычайно чувствительных испытательных стендах.

После окончательного утверждения, рама переходит в покрасочную мастерскую для покраски и нанесения графики, а затем покрытия лаком, защищающим изделие от ультрафиолета и сохраняющим блеск и яркие цвета новой рамы.

Амортизация натуральных волокон армированных композитных материалов

Рассматривая амортизационные свойства композитов с волокном льна, необходимо взглянуть на лен-долгунец на микроскопическом уровне. Гибридное переплетение нитей в волокне Museeuw Bikes из пучков волокон луба и рыхлых первичных волокон в сочетании с нормальными углеродными волокнами.

Строение льняного волокна

Наибольшее преимущество достигается за счет свойства, которое большинство конструкторов фактически игнорируют: природное отклонение. Свойства ряда отдельных волокон находятся в пределах от 60 до 80 ГПа.

Именно это отклонение запускает под нагрузкой очень важный механизм. Из-за небольших локальных прогибов внутри материала, часть энергии удара будет поглощена еще до того, как перейдет на всю остальную структуру рамы. Это можно сравнить с большим тортом, который передают вдоль длинного стола, за которым сидят проголодавшиеся люди, каждый из которых возьмет небольшой кусочек. В конце концов, от торта ничего не останется. Структура углеродного волокна сходна с людьми за длинным столом, которые хотят передать торт от одного к другому как можно быстрее, не съев даже малой крошки. По-настоящему удивительно то, что этот механизм не имеет ничего общего с гибкостью рамы – энергию поглощает сам материал, а не структура.

Современное натуральное волокно усиливает композитные материалы

Почти все предлагаемые велосипедные рамы топ уровня производятся с использованием карбона, усиленного композитами. С конструкторской точки зрения это наиболее очевидное решение при проектировании с учетом низкого веса, прочности и жесткости. Высокая прочность и жесткость имеют, однако, некоторые важные недостатки:

- Сложность управления велосипедом: чрезвычайно жесткая рама имеет естественную тенденцию к следованию по прямой линии. Посмотрите как сложно порой в гонках на время велосипедисты преодолевают крутые повороты.
- Отсутствие амортизации: жесткие волокна полностью передают энергию удара по всей структуре рамы. Гонщику приходится гасить эти сотрясения собственным телом.

Для того, чтобы компенсировать эти недостатки, конструкторы должны преодолеть свойства материала, дав велосипеду некоторую «вертикальную податливость» для удобства, а также изгиб рамы для лучшей управляемости на поворотах. В основном, конструкторы уже делают менее жесткую структуру рамы из чрезвычайно жестких материалов. Запутанно? Давайте посмотрим некоторые данные… (рис. 5 и 6)

Существует четкое различие между металлами и композитами как в весе, так и в жесткости (выражаемое посредством Модуля Юнга или Е-модуль). Эти свойства, однако, не нашли должного применения. При использовании материалов с фактической структурой, разработанной для получения оптимального соотношения параметров веса и жесткости, различные параметры вступают во взаимодействие – материал эффективен! (рис. 6) Эти параметры получены при анализе деформации структуры и показывают разность потенциала при создании трубы или монокока с одинаковыми структурными свойствами.

Если вы теперь посмотрите на различия между металлами и композитами, то не возникнет никаких сомнений в конструкционном преимуществе композитов. Но, если эти цифры показывают, что вес велосипеда с карбоновой рамой составляет всего 50% веса велосипеда с алюминиевой рамой, почему они еще не сделаны? Причиной этого становится поведение самих гонщиков на велосипеде: рамы должны выдерживать множество других нагрузок (например, при боковом ударе).

Вообразите себе раму из карбона с таким же весом, как и у алюминиевой рамы. Из данных следует, что повышение жесткости будет впечатляющее, но, скорее всего, рама будет не слишком приятной для гонщика.

Поэтому Museeuw Bikes в работе над различными сочетаниями материалов стремится получить оптимальный компромисс этих функций, смешивая натуральные волокна с жесткими углеродными волокнами для получения лучшей передачи мощности без ущерба для комфорта.

Эффективность материала (стык трубка к трубке; каркас монокок)