По своему обыкновению, решив немного просветиться на интересующую меня тему, я начала изучать информацию. Её обилие, разрозненность, противоречивость и местами слабая подкрепленность конкретными фактами, меня откровенно удивила. Я попыталась найти ответы на все интересующие лично меня вопросы касательно карбона и собрать их в одной статье. Все тут написанное ни в коей мере не претендует на истинность в последней инстанции, академичность или авторитетность. Экспертом я не являюсь, так что все обсуждаемо. Предложения, возражения, дополнения и исправления всячески приветствуются, но при условии наличия сколь бы то ни было весомых аргументов и/или ссылок на источники или указание литературы.
Внимание! Много букв
Что это такое?
Что же такое карбон? Если занудствовать и цепляться к словам, то carbon это углерод. Однако нас интересует не он. Есть два понятия, carbon fiber (углеродное волокно) и Carbon-fiber-reinforced polymer (полимер, усиленный углеродным волокном, - углепластик). Так получилось, что оба этих материала называют карбоном. Лично мне кажется, что любовь к сокращениям и обобщениям в итоге привела к путанице в терминах, а затем и в головах конечного потребителя. Давайте попробуем разобраться по порядку.
Практически весь карбон (нити), используемый в велосипедной индустрии, получается из полиакрилонитрила (ПАН) путём окислительного пиролиза и последующей стабилизации в инертном газе (*). Нити углерода очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани.
В состав композита могут входить различные материалы, - арамид (н-р пара-арамиды Кевлар, Тварон), алюминий, файбергласс (стекловолокно), металлический бор и пр. Связывающим полимером обычно выступают термореактивные смолы, н-р эпоксидные, но так же находят свое применение термопласты, такие как полиэстер, винил эстер или нейлон.
Состав композита будет во многом определять его механические свойства.
Почему карбон так удобен для использования в велоспорте?
Тут все достаточно очевидно. Использование карбон-композита позволяет достигнуть той же прочности и жесткости конструкции, но при гораздо меньшем весе. Композит является анизотропным материалом (в отличие от изотропных металлов и сплавов), то есть его механические свойства зависят от направления волокна. Комбинируя волокна в различных направлениях можно добиться оптимальных качеств различных элементов конструкции. Это же свойство позволяет карбоновым рамам успешно гасить вибрации от неровностей дорожного полотна (потому что вибрации не могут распространяться в одном направлении).
Из-за особенностей изготовления (почему станет ясно ниже), можно добиться практически любой формы готового изделия. А значит у инженеров куда больше возможностей и свободы в создании «идеальной» геометрии рамы.
Какой же карбон лучше выбрать?
На деле понять, какой карбон используется в вашей раме довольно тяжело. Производители могут понаписать всякого. В случае китайкарбона вообще остается только гадать, что за материал они берут. К тому же, многие «рецепты» композитов являются проприетарными и состав вам никто добровольно не скажет.
К слову о проприетарных рецептах. Многие производители в своих буклетиках пишут о том, что в своих рамах они используют исключительный, особенный композит, разработанный непосредственно для велоспорта. Однако я встретила информацию следующего характера. Мировое промышленное производство карбона и карбон-композита в значительной мере монополизировано. Почти 70% всего материала на мировом рынке производится японскими корпорациями (Mitsubishi, Toray, Toho). На спортивную индустрию приходится около 20% всего потребления карбона. Если брать только велоспорт, то его доля будет составлять всего 5%. Насколько оправданы затраты на исследования и разработку каких-то особых композитов именно для велосипедных рам без серьезных расчетов сказать сложно. Поэтому таких композитов производители карбона якобы не выпускают. Композитов, разработанных например для аэро- и космической промышленности, оказывается более чем достаточно. Соответственно, искренность заявлений производителей велосипедной продукции вызывает серьезные сомнения.
Тем не менее, попытаемся немного разобраться в том, по каким критериям различают те или иные виды карбона.
По каким характеристикам классифицируют карбон?
Механические свойства
Грубо говоря, в материале для рамы нас интересуют две основные характеристики – предел прочности (tensile strength) и жесткость, которая определяется модулем эластичности (elastic modulus).
Вспомним процесс получения нитей карбона из полиакрилонитрила, описанный выше. Полученная нить под микроскопом будет напоминать ствол дерева. Ствол, плотный в центре, с шероховатой корой. В таком виде у полученного стандартного карбона модуль эластичности равен 33 msi (миллион фунтов на квадратный дюйм). Если продолжать очищать нить от её рыхлой «коры», то можно получить нить меньшего диаметра и несколько большей плотности. На ту же единицу площади таких нитей можно положить больше, а модуль эластичности будет выше. В практике это означает, что можно получить конструкцию равную по жесткости, но при этом в гораздо меньшем весе. Условно, модуль эластичности 33 msi считается низким (low modulus), 42 msi средним (intermediate modulus), от 55 msi и выше – высоким (high modulus). Производства волокон с высоким модулем сопряжено с высокими издержками (и соответственно с высокой стоимостью), а само волокно получается хрупким, и использовать его приходится с осторожностью. Сейчас я часто вижу использование сочетания High Modulus carbon, HighMod carbon или HM carbon в описаниях карбоновых рам среднего и выше уровня. Однако, многие недобросовестные производители называют карбон high modulus при реальном модуле эластичности в 33 msi или 42 msi. Подать на них в суд за ложную рекламу не представляется возможным, поскольку сами определения четко не прописаны. Остается лишь уповать на добросовестность бренда и сколь высоко он оценивает репутационные риски. Так же стоит учитывать, что большинство рам конструируются, используя композиты различных типов. Так что хаймод карбона там может быть лишь часть слоев, а на ярлычке все равно будет гордо красоваться High Modulus carbon.
Как было сказано выше, с возрастанием модуля эластичности падает прочность карбона. Поэтому перед инженерами стоит весьма серьезная задача, - как добиться оптимального баланса. Насколько я понимаю, решается она собственно составом композита и финальной конструкцией изделия, в которой комбинируют несколько слоев карбона-композита с различными характеристиками.
Например так:
Другие характеристики
Теперь перейдем к другим характеристикам, по которым часто маркируют карбон. Наверняка многие из вас встречали на тех же сайтах китайкарбона обозначения вроде 3K, 12K, UD. Что это означает? Подобная маркировка относится к плетению углеродного волокна. Нити собирают в полоски, и эти полоски переплетают друг с другом. 1K означает, что в полосе 1000 нитей, 2K – две тысячи, и т.д. Обычными форм-факторами являются 1K, 2K, 3K, 6K, 12K, 24K, 50K. В изготовлении велосипедных компонентов наиболее популярен карбон 3К. Встречаются так же 12K, реже 1K и 2K.
На рисунках: 1К, 3К, 12К, UD
Эта маркировка указывает лишь на форм-фактор и никоим образом не является признаком тех или иных свойств самого волокна. Имейте это в виду. Единственное отличие между, например, 3К и 12К, о котором можно сказать с уверенностью и наверняка, это внешний вид, не более. Ведь, сами понимаете, плести полосы тоже можно по-разному, не говоря уже о свойствах самих волокон.
Маркировка UD означает Uni-Directional, - т.е. однонаправленный. В таком форм-факторе нити не переплетены между собой, а уложены в одном направлении и скреплены полимерной смолой. Угол, под которым на листе уложены нити, соответствует разным механическим свойствам. Для изготовления рам обычно используют листы с углами 0° градусов, + 30°, - 30°, + 45°, - 45°, 90°.
Грубо говоря, каждый угол соответствует следующим атрибутам:
0°, 90° - прочность и жесткость по длине
+ 30°, - 30° - сопротивление скручиванию (торсионная жёсткость)
+ 45°, - 45° - высокая весовая нагрузка
фото Felt Bicycles
Каждый вид используется для изготовления различных частей конструкции рамы. Обычно, разные типы накладывают друг на друга в соответствии со специальными чартами. Здесь важно, насколько корректно спроектирована геометрия рамы и рассчитана нагрузка на разные её части (для этого, как и во многих других отраслях промышленности, сейчас применяют анализ методом конечных элементов).
Прежде чем дальше разговаривать об особенностях материалов, рассмотрим возможные конструкции рам.
Какими бывают рамы из карбона?
Карбоновые рамы по своей конструкции делятся на два типа.
1.Композитные (lugged )
Lugged frame термин еще времен изготовления стальных рам. Технология заключается в том, что узлы, соединяющие трубы, являются отдельными деталями конструкции, - хомутами.
Из недостатков подобного метода изготовления рам можно назвать относительно высокий вес и, в случае использования готовых труб, существенные ограничения в выборе формы рамы.
2. Монокок
Монокок (от гр. Mono – один, фр. coque - оболочка) – это означает, что крупные элементы рамы (н-р передний и задний треугольники), а иногда и вся рама целиком, представляют из себя цельный элемент. При правильно рассчитанном дизайне и качественном производстве, такая структура позволяет наиболее равномерно распределить нагрузку на раму. Лучший способ избежать чрезмерной нагрузки на места узлов – не иметь их вовсе. К тому же, монокок-конструкции предоставляют инженерам куда более широкую свободу для фантазии в дизайне внешней формы рамы.
Давайте теперь попробуем закрепить полученные знания, расшифровав спецификацию какой-нибудь крутой карбоновой рамы.
Columbus HM UD Carbon Monocoque: Columbus производитель композита. HM – high modulus, то есть с высоким модулем упругости. UD – Uni-Directional, значит рама делалась из однонаправленных препрегов. Монокок – конструкция рамы представляет собой единую структуру.
Как изготавливаются карбоновые рамы?
Карбон-композит как материал часто продают листами, вымоченными в невулканизированной смоле – т.н. pre-impregnated sheets или prepreg (препрег). Препрегом может быть и плетение (всякие там 1К, 3К и пр.), но чаще речь идет об однонаправленном карбоне. В таком виде карбон обычно расположен на бумажной подложке и продается рулонами.
вот так:
Плотность волокна на листе может быть разной и измеряется в граммах на квадратный метр (Grams per Square Meter, GSM). Некоторые маркетологи и этот параметр пытаются использовать для запудривания мозгов потребителя. К качеству самого композита это значение не имеет никакого отношения.
Для того чтобы избежать произвольной вулканизации смолы (после которой работать с ним будет уже невозможно), препрег должен находиться при особых условиях хранения, перевозки и обращения. Хранение и перевозка осуществляется при низкой температуре, а работа с ним требует климат-контроля производственных помещений.
Отмечу, что какой-то полной автоматизации в процессе изготовления карбоновых рам не существует. Листы препрега укладываются, клеятся и закладываются в формы вручную. Да, вы не ослышались, высокотехнологичные рамы гоночных велосипедов на всех этапах делают исключительно руками (разве что лист на части по кальке режут машины ).
В общих чертах процесс производства рам из препрега выглядит следующим образом. Силиконовая форма (или каркас из твердой пены) вручную обкладывается листами препрега. В готовую конструкцию вставляется пузырь. Затем конструкцию закладывают в стальную форму и качают пузырь до давления в 150 psi. После того, как закладка готова и силикон убран, конструкцию опять закрывают в форму и «выпекают» при температуре 220 фаренгейт примерно 40 минут. Таким образом, смола вулканизируется и материал затвердевает, излишки смолы удаляют из конструкции. За точные значения времени, температуры и давления ручаться не буду. Общая суть более-менее ясна. После завершения выпекания, раму доводят до ума (в косметическом плане), тестируют, красят, наносят деколи.
Небольшой ролик с процессом производства.
Именно поэтому при работе с карбоном контроль качества (Quality Control, QC) на всех этапах важен как никогда.
Реалии рынка. Чем плох китайкарбон?
Внесем в статью немного конкретики, не связанной с технологическим процессом.
Большая часть карбоновых рам, продающихся сегодня, изготовлены в Азии, на фабриках, каждая из которых обслуживает несколько брендов. Представления о том, что Specialized владеет своей фабрикой в Тайване, Trek своей, и Scott своей, попросту ложны.
Современные велосипедные бренды - узнаваемые большинством потребителей – в большинстве своем попросту инженерные и маркетинговые центры, а не производители. Они заключают контракты с OEM (Original Equipment Manufacturers), отсылают им дизайн продукта, и уже OEM ответственны за производство, которое может включать в себе как отправку голой рамы бренду для завершения (в таком случае на этой раме вполне может красоваться надпись Made in Italy), так и производство полностью готового к продаже велосипеда.
Часто несколько брэндов работает с одним и тем же ОЕМ, в тоже время, каждый из этих брендов может работать с несколькими ОЕМ для производства разных моделей велосипедов. Сеть широка и довольно запутана.
Например, ОЕМ производитель ADK работает с группой компаний CSG, которая владеет брендами Cannondale и GT, а так же с ASI, владеющей брендами Fuji и Kestrel. Таким образом, рамы Cannondale, GT, и Kestrel, а так же некоторых других брендов, производятся на фабриках, принадлежащих одной и той же ОЕМ компании.
Есть и обратные примеры, когда компании начинавшие как OEM, в итоге сами создавали узнаваемый бренд. Компания Giant Bicycles из Тайваня уникальна тем, что начинала как ОЕМ, и все еще работает с другими брендами (например M10 от Colnago производят на фабрике Giant), однако сумела вырасти до уровня, позволяющего не только заниматься своими собственными научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами (НИОКР, R&D), но и, что более важно, своим собственным маркетингом. В качестве другого похожего примера можно назвать тайваньскую Merida.
В среде OEM производителей бытует такое понятие как «open mold frame» (mold –стальнаяформа,в которой выпекают рамы). Это форма, которой владеет OEM. Такую раму они могут продать любому бренду по своему выбору. Бренды, покупающие open mold, не контролируют процесс дизайна, инженерной разработки и выбора композитного материала для продукта, который они впоследствии продают. Обычно, вся их работа заключается в выборе цветовой схемы и наклеивании своих логотипов. Среди разных мелких брендов частенько можно увидеть рамы, похожие как две капли воды. В российских интернетах такие рамы называют каталожными (из разряда чистых спекуляций - ходят упорные слухи, что каталожные рамы покупает и красиво красит, например, Cube).
Форма:
Многие бренды покрупнее выкупают форму и никто, кроме них, ей пользоваться легально не может.
Принимая всю эту информацию во внимание, становится очевидно, с какими рисками сопряжена покупка китайкарбона. Почему их рамы стоят так дешево? Из цепи производственных издержек убирают R&D, работу по инженерным расчетам и дизайну (они используют уже готовые молды), затраты на маркетинг, сертификацию и т.п. Самое важное, невозможно сказать, как хорошо там работает контроль качества. Репутационные риски заставляют бренды очень жестко подходить к вопросу QC, тогда как у китайкарбона подобных рисков практически нет (1. закрыл старый «бренд», 2. сделал новый на тех же производственных мощностях, 3. ..... 4. Профит). Никогда не знаешь, какие конкретно композиты используются для той или иной рамы и чего от них ожидать. Одну и ту же модель рамы из одной и той же формы могут сделать из разных видов композитов, а продавать по одной цене. В общем, тут как повезет. Если покупатель считает подобный риск оправданным низкой ценой, бога ради. Но это справедливо, когда человек действительно эти риски осознает, а не как у нас обычно бывает.
Достижения современности и будущее технологий.
На данный момент, предельным весом для рам серийного производства (то есть когда издержки производства более-менее оправданы), считается 750 гр. Легче рамы делает лишь компания Cervélo. Рамы серии CA весят 700 гр. Для их производства приходится создавать особые условия производства («clean-room environment»), и большая часть специалистов индустрии считают, что стоимость издержек, необходимых для избавления от этих 50 гр, а значит и итоговая цена рамы, совершенно не оправданы. В конечном итоге, большая часть общего веса складывается на компонентах.
Если говорить о будущем карбон-композитных материалов, то стоит упомянуть технологию углеродных нано-трубок. Это направление активно развивается в последнее время, так что и до велосипедной индустрии использование этих технологий может найти свое применение. Например компания Easton-Bell Sports (выпускающая продукцию под брендами Easton и Bell – ваш кэп), в партнерстве с Zyvex Performance Materials уже использует композиты с технологией нанотрубок в целом ряде своих велосипедных компонентов.
Да и наверняка маркетологи от сочетания углеродные нано-трубки придут в полнейший восторг.
Ну-с, вроде все Если появятся какие-то вопросы, которые мне в голову не пришли, смело пишите, будем разбираться вместе.