Wykonano w USA. Historia stosowania włókna węglowego przez firmę Trek.

Odwiedź laboratorium badań i rozwoju nad włóknem węglowym Treka w Waterloo w stanie Wisconsin. Dowiesz się, jak budowane są rowery marzeń.

Czy patrzyliście kiedyś na swój rower i zastanawialiście się, co znajduje się pod lakierem? Kiedyś zwykła naklejka na rurze świadczyłaby o jakości użytych elementów stalowych, może Reynolds lub Columbus, a lakier zasłoniłby godziny pracy.

Dziś budowa rowerów Trek z ramą z włókna węglowego wiąże się z podobnym rękodziełem, choć niełatwo to zauważyć. Rowery opracowywane są z pomocą wspomaganego komputerowo projektowania, oceniane metodą dynamiki płynów i elementów skończonych, a powstające w efekcie kształty wydają się idealnie gładkie, jakby zbudowane maszynowo.

Produkcja rowerów z włókna węglowego w siedzibie Treka w Waterloo zmieniła się przez lata z klejenia uformowanych wcześniej rur z włókna węglowego na aluminiowe wypusty w 1988 roku, w proces budowy od podstaw, w którego skład wchodzi wiele form i różne materiały z włókna węglowego w celu stworzenia kompletnie regulowanego i wzorowo zbudowanego produktu.

Jednak pomimo technologii rodem z branży lotniczej, rowery są tak naprawdę budowane ręcznie z płaskich kawałków materiału z włókna węglowego. Nie ma tutaj miejsca dla zewnętrznych producentów rur lub łączników, a proces wdrożony w tej chwili w Trek jest, może trochę paradoksalnie, bardziej ręczny niż kiedykolwiek.

Nie mówimy tu tylko o wciskaniu włókna węglowego z żywicą epoksydową w formę, choć formy to początek procesu. Robione na zamówienie formy wykonuje dla Treka zespół inżynierów pod kierownictwem Jay’a Thrane’a. Zakład produkcji form znajduje się w czerwonej stodole w Waterloo, w której Dick Burke i Bevil Hogg założyli firmę Trek i w latach siedemdziesiątych wyprodukowano tysiące stalowych ram. Dziś w tej starej stodole powstają formy, w których z kolei budowane są tysiące ram z włókna węglowego. Każda z nich zaczyna swoje życie jako blok aluminium lub stali, zależnie od zastosowania, który jest następnie na miejscu obrabiany z pomocą technologii CNC na wymagany kształt. Tu zaczynają się schody. Wraz z przyjmowaniem przez ramy coraz bardziej skomplikowanych kształtów formy również stają się coraz bardziej złożone. Na początku produkowano pięć na tydzień. Teraz, choć maszyn jest więcej i pracują całodobowo, powstają tylko jedna lub dwie formy, tak wzrosła ich złożoność.

Po przetransportowaniu form do znajdującego trochę ponad 1,5 kilometra na zachód laboratorium włókna węglowego magiczny czarny materiał można docinać i dobierać. Pomijając aspekty inżynieryjne, układanie włókna węglowego na ramę ma wiele wspólnego z szyciem. Tak właściwie proces sam w sobie bliższy jest chyba pracy krawcowej niż tradycyjnemu konstruowaniu ramy stalowej z rur i łączników.

Jim Colegrove, inżynier ds. produkcji z materiałów kompozytowych, tłumaczy: „Dysponujemy bardzo zaawansowanym oprogramowaniem. Najpierw korzystamy z CAD i przygotowujemy trójwymiarowy model ramy. Mogę go podzielić na oddzielne części i potem spłaszczyć je w celu uzyskania samego kształtu, idealnego wzoru, który mogę wykorzystać w formie i wiem, że będzie idealnie pasował. Nazywamy ten wzór płaską formą wstępną i to on jest docinany na naszym stole CNC”.

Formy wstępne to kluczowy element służący zapewnieniu wytrzymałości tam, gdzie jest potrzebna i ograniczeniu masy tam, gdzie to możliwe, pozwalający inżynierom na wybranie właściwego materiału do każdego kształtu i zastosowania. Wyspecjalizowana w włóknie węglowym firma Hexcel od prawie 25 lat produkuje całe włókno węglowe wykorzystywane w zakładzie Treka w Waterloo. Jest ono w 100% wyprodukowane w Salt Lake City w stanie Utah, w wersjach o różnym module sprężystości – standardowym, średnim, wysokim i bardzo wysokim. Występuje w formie maty o wielokierunkowym ułożeniu włókien lub w wersji jednokierunkowej, zależnie od przewidzianego zastosowania.

Jim, były inżynier z branży lotniczej, tłumaczy różnice między nimi.

„Wykorzystujemy maty, czyli standardowy zaplatany jak tkanina materiał, w obszarach narażonych na duże obciążenia lub uderzenia, ponieważ cechują się one pewną wyjątkową właściwością. Można je przyrównać do nylonu chroniącego przed przerwaniami – są bardziej odporne na uszkodzenia. Umożliwiają również łatwiejsze formowanie tam, gdzie miejsce jest ograniczone. W jednokierunkowym materiale włókna są, zgodnie z nazwą, ułożone w jednym kierunku. Też jest on elastyczny, ale w płaszczyźnie włókien, co sprawia, że stworzenie bardziej skomplikowanych kształtów jest dość trudne. Każdy materiał ma swoje wady i zalety, więc uzyskanie optymalnej struktury wymaga doświadczenia i odpowiedniego podejścia inżynieryjnego.

Na przykład Hex-MC to wyjątkowy materiał złożony z krótszych, pociętych włókien. Są one układane w jak najbardziej przypadkowy sposób, co symuluje warstwowość. Można dzięki temu efektywnie tworzyć bardzo skomplikowane kształty, ponieważ nie ma długich włókien. Jednak materiał ten nie oferuje wytrzymałości i sztywności charakterystycznych dla jednokierunkowego włókna czy maty. Dla odmiany, przyjrzyjmy się okolicy suportu. W wyniku obciążeń od główki ramy oraz siły wywieranej przez kolarza występują tam duże napięcia i siły zginające, więc wymagana jest znaczna sztywność i wytrzymałość. Dlatego w tym konkretnie miejscu dodajemy małe paski materiału o wysokim i bardzo wysokim module sprężystości”.

Patrząc na ramę z włókna węglowego, łatwo sobie pomyśleć, że buduje się ją jak papierowy samolot, ale to skomplikowana sprawa. Rama szosowa Madone składa się z około 180 form wstępnych, czyli pojedynczych kawałków materiału z włókna węglowego, z których układa się kilka warstw w celu zwiększenia wytrzymałości tam, gdzie to niezbędne. Rower zjazdowy Session to z kolei 238 form wstępnych, a każda składa się z dwóch do dwunastu warstw włókna węglowego (jednokierunkowego, maty lub Hex-MC). To skomplikowana kombinacja do docinania. Włókno węglowe to wspaniały materiał, ale właściwe jego użycie wymaga odpowiedniego podejścia inżynieryjnego. Bez doświadczenia uzyskuje się konstrukcje, które są zbyt ciężkie lub niewystarczająco wytrzymałe.

Jakby to samo w sobie nie było wystarczająco skomplikowane, formy wstępne zazwyczaj zwiększają się wraz z rozmiarem ramy i mogą wymagać zastosowania dodatkowego materiału, odpowiedniego do obciążeń generowanych przez większych rowerzystów. Jednak nawet najbardziej wzmocnione elementy ramy mają grubość ścianki w okolicach 1,5 mm.

Prawdziwi rzemieślnicy w zakładzie prototypowania włókna węglowego Trek to Kelly Stone i Sue Moe, mogące się pochwalić łącznie 46-letnim doświadczeniem w formowaniu włókna węglowego. Materiał ten jest trochę jak toffi – lepki w dotyku i giętki oraz elastyczny, gdy zostanie podgrzany.

Kelly stwierdza, że wystarczy, by chwyciła w swoje doświadczone ręce matę z włókna węglowego i już wie, czy jest odpowiednia.

„Można bez problemu wyczuć różnice między rodzajami materiału oraz czy żywicy jest odpowiednia ilość czy też za dużo. Inżynierowie zawsze mówią nam, jakiego ułożenia użyć i jakie elementy zastosować w każdej próbie, ale po ocenie możemy wprowadzić dodatkowe elementy w różnych miejscach i następnie je sprawdzić.”

Kelly i Sue znają proces na wylot: czasy stygnięcia, idealne temperatury, ile wytrzyma materiał. Potrafią przekazać Jimowi i jego zespołowi inżynierów poparte doświadczeniem informacje na temat tego, co się sprawdzi, a co nie podczas układania. Wiele z tego to nie czysta nauka, ponieważ doświadczenie odgrywa w Treku kluczową rolę. Obie panie zbudowały i wypróbowały już tyle ram i dysponują taką ilością danych, że w zakresie opracowywania konstrukcji mają przewagę nad innymi już na starcie.

Pan Warstwa rozprowadza substancję umożliwiającą wyjęcie części z formy i umieszcza formę wstępną. Opisuje kolejne kroki. Zależnie od kształtu, do środka wkłada się specjalne balony, a całość zamyka i umieszcza w prasie. Wspomniane balony służą do ściśnięcia włókna i ukształtowania materiału, a jednocześnie pozwalają usunąć nadmiar żywicy.

W przypadku ramy nowego roweru zjazdowego Session jedno ramię wahacza składa się z 40 indywidualnych form wstępnych. Tak samo jak krawiec wykorzystuje ułożenie materiału w celu uzyskania właściwego dopasowania lub tekstury, tak też włókno węglowe układa się w formie tak, by uzyskać jak najbardziej wytrzymałe (i najlżejsze) elementy. Samo przygotowanie formy dla pojedynczej części, jak chociażby dla ramienia wahacza, trwa około 10 minut, więc twierdzenie, że produkcja roweru z włókna węglowego z wykorzystaniem form jest szybsza i prostsza niż obróbka aluminium przy użyciu CNC to jedno wielkie nieporozumienie. Po oczyszczeniu i schłodzeniu wszystkich elementów można przejść do następnego etapu w procesie.

W przypadku Madone złożenie uformowanych części w ramę szosową trwa zaskakująco krótko. Do złączenia widełek, układu suportu i przedniego trójkąta stosuje się klej epoksydowy i metodę Step Joint, która pozwala uzyskać łączenia o tej samej grubości co jednoelementowa rura, dzięki czemu łączenie nie ma wpływu na wagę czy też jakość jazdy. Całość następnie układa się w łożu montażowym w celu wypieczenia aż do stwardnienia materiału. Po obróbce rama może być już sprawdzona pod kątem zbieżności i przekazana do kolejnego etapu – wykończenia i lakierowania, a więc ukrycia całej manualnej pracy oraz technologii. Wszystko to odbywa się w cieniu rynku, na którym klienci chcą więcej za mniej, jak tłumaczy Jim.

„Często ludzie pytają mnie, dlaczego Trek cały czas buduje ramy, podczas gdy cały ten przemysł przeniósł się za granicę, co dotyczy, bądźmy szczerzy, również znacznej części ram Trek? W jakim celu ciągle utrzymujemy ten zakład? Moja odpowiedź jest zawsze taka sama. Nie da się tworzyć zróżnicowanych, lepszych produktów bez zrozumienia nauki stojącej u podstaw. Jedynym sposobem na poznanie tego, jak faktycznie pracują ramy i konstrukcje z włókna węglowego, jest budowanie ich własnoręcznie. Fakt, że inżynierowie docinają formy, układają włókno węglowe i widzą, jak ich konstrukcja nabiera życia, stanowi kluczowy element postępu projektowego. Budowanie czegokolwiek w tym zakładzie jest naprawdę drogie, ale dzięki temu nasze produkty są lepsze, ponieważ wiemy, jak należy budować i co można zbudować. Dzięki temu, że robimy to własnoręcznie. Nie będziemy czekali, aż ktoś inny podniesie poprzeczkę i pokaże nam, jak coś zrobić. Będziemy liderami. Podejście to nie zmieniło się, od kiedy zacząłem pracę w Treku w 1990 roku i dlatego przychodzę codziennie do pracy”.