Карбоновые рамы: технология и процесс изготовления

Карбоновые рамы: технология и процесс изготовления

Когда-то рамы из этого материала были в диковинку, однако на сегодняшний день фактически уже стали стандартом в производстве велосипедов выше среднего уровня. Сейчас из карбона изготавливают не только шоссейные и циклокроссовые, но и кантрийные, и даже вполне себе фрирайдные рамы. Помимо рам, из карбона же изготавливают седла, вилки, рули, обода, шатуны и другие детали современных велосипедов. Так что же представляет из себя этот материал?

Карбоном называют полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³.
Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

0Каждая нить карбонового волокна представляет собой трубку, состоящую из чистого углерода, эти трубки и составляют волокна углеродной ткани. Трубки довольно легко ломаются, но обладают очень высокой прочностью на растяжение. На фотографии слева представлена одна нить углеродного волокна в сравнении с обыкновенным человеческим волосом. Хорошая рама, сделанная из карбона обладает уникальными свойствами: одновременно имеет хорошую жесткость и при этом гасит высокочастотные вибрации. За счет выбора направления расположения нитей волокна, материалу можно придать практически любые требуемые свойства. Производство карбоновых деталей требует большого количества ручного труда. Давайте попробуем разобраться в этом процессе на примере изготовления карбоновой рамы:

Шаг первый: изготовление углеткани

01На самом первом этапе будущая рама выглядит неприглядно: это просто катушка черных ниток. На фотографии слева представлено углеволокно Toray T700S, которое служит основным материалом для изготовления рам. Непосредственно такой материал используется при изготовлении рам только двумя компаниями — Time и Giant, остальные используют в своих производствах уже сплетенные ткани. На фотографии видно 96 бобин с карбоновыми нитями, которые пропускаются через станок, где нити распрямляются и покрываются слоем смолы, чтобы немного дальше превратиться в листы заготовок. Заготовка имеет ширину 3 фута. Готовый лист, такни, покрытый смолой называется препрегом.

Шаг второй: сборка рамы

3Листовая заготовка разрезается на части, которые необходимы для изготовления велосипедной рамы или какой-нибудь детали валосипеда. Разрезание происходит не только в соответствии с точными размерами , но и в зависимости от направления волокна карбона (как вы помните, именно от направления волокна во многом зависят свойства конечной детали). Вырезанные выкройки частей раскладываются по коробкам, из которых рабочие потом подбирают куски нужных размеров для сборки деталей. Слева — фотография коробки и порезанных заготовок. Каждая часть карбоновой рамы велосипеда собирается из комплекта карбоновых заготовок. На этапе сборки контроль качества играет первостепенное значение. В компании Giant есть даже специальные столы для сортировки деталей с готовыми гнёздами под определенный размер. По этим размерам распределяются выкройки для деталей рамы.

Далее рабочие раскладывают заготовки на столе в строгом порядке. На этом этапе карбон представляет собой пластины, аккуратно сложенные и завёрнутые в бумагу. Рабочие снимают бумагу и раскладывают карбоновые заготовки на подогретой пластине, затем прикладывают образец, который часто также нагревают, чтобы было легче работать с самой заготовкой.

7Трубы карбоновой рамы велосипеда из изготавливают из самых больших листов карбонового композита. Эта работа уже не такая сложная – обернуть ровную трубу гораздо легче, чем деталь рамы, имеющую множественные разветвления для каретки. Когда части рамы обёрнуты карбоновым волокном, их укладывают в специательную пластиковую форму. Затем, через всю велосипедную раму пропускают специальный эластичный полиуретановый баллон, который надувают – это разравнивает всё внутри рамы. Вставляют стальные или дюралевые сердечники в каретку и в рулевую трубу, чтобы зафиксировать раму велосипеда в форме. Лишнее карбоновое волокно при этом обрезается. Подготовленную вышеописанным образом велосипедную карбоновую раму помещают сначала в холодильник (чтобы предотвратить преждевременное высыхание смолы), где она дожидается очереди на высокотемпературную сушку, а затем и в печь для сушки.

Шаг третий: склейка и сушка

11Карбоновая рама укладывается в форму для сушки. Все части универсальной формы следует точно подогнать к раме и закрепить винтами. Когда рама прочно закреплена в нижней части двустворчатой формы, верхняя часть опускается и закрывает форму. Затем форма отправляется в автоклав. В автоклаве под влиянием температуры и давления смола максимально эффективно пропитывает углеткань и склеивает все части рамы. Кроме того, высокая температура способствует ускоренному высыханию смолы. После этого, карбоновую раму вручную обрабатывают абразивами (так удаляются с карбоновой рамы излишки смолы и карбонового волокна), а затем и лаком. Лак защищает карбоновое волокно от повреждения нитей.

Видео процесса