During my education to become a mechanical engineer my friend and partner Rasmus Bundgaard and I builder a couple of carbon fiber bicycles as a part of a composite class.

1. Indledning

Fremstilling af cykelstel i kompositmaterialer er ikke et nyt fænomen. Dog har udviklingen inden for cykeldesign og fremstillingsteknikker de senere år gjort, at materialet i dag er fuldt konkurrencedygtigt og anvendes i stor udstrækning i cykelsportens absolutte elite som et alternativ til mere traditionelle materialer.

I det følgende beskrives udviklingen og fremstillingen af et cykelstel i kompositmateriale. Herunder de teoretiske og praktiske overvejelser, de anvendte løsningsmetoder, løsninger samt den praktiske fremstilling. Forudsætningerne bærer tydeligt præg af, at der kun skal fremstilles to cykelstel, altså at det ikke er tilfældet, at der her er tale om en masseproduktion og, at der umiddelbart ikke er nogen begrænsning i antallet af mandetimer til den praktiske fremstilling. Det er derfor i høj grad andre overvejelser, der ligger til grund for udviklingen, end de etablerede cykelfabrikanter gør sig under udviklingen af et nyt cykelstel. Hovedformålet med dette projekt er således at opnå en let cykelkonstruktion samt en lav fleksibilitet. Det vil sige et stift cykelstel med en høj virkningsgrad. I praksis gælder det om at opnå en optimal balance mellem cyklens vægt og hvor stor en del af den kraft, som påføres pedalerne, der overføres til asfalten.

Resultatet er blevet en konventionel cykelkonstruktion i form af en ”diamantramme”. Dvs. en konstruktion som den man kender fra stort set alle almindelige cykler med kronrør, overrør, sadelrør, skrårør, kædestag samt skråstag. Overvejelserne gik også på såkaldt monocoquekonstruktion, hvor hele cyklen er støbt i et stykke. Denne konstruktion egner sig godt til tidskørsler, men er for nylig blevet forbudt i cykelsporten for at minimere den materielle konkurrence mellem cykelholdene. Projektet er begrænset til ikke at omhandle udvikling af stelgeometri. Cyklens stelgeometri er en direkte kopi af en af de veletablerede cykelfabrikanters offentliggjorte stelgeometri.

Kompositmaterialers anvendelse har helt sikkert en stor fremtid foran sig i takt med, at fremstillingsmetoderne konstant optimeres. Det er ikke kun indenfor cykelindustrien men i høj grad også andre områder som f.eks. rumfartsindustrien, vindmølleindustrien, hvor kompositmaterialer allerede i dag er meget brugt.

2. Problemformulering

I forbindelse med konstruktion i kompositmaterialer er der forskellige problemstillinger, som adskiller sig fra konstruktion i isotrope materialer. I tilfælde af at der anvendes en sammensætning af fibre, skal både fibermateriale og matrixmateriale bestemmes. De fleste konstruktions-programmer fungerer umiddelbart bedst til arbejde med isotrope materialer, og det kan være mere eller mindre vanskeligt at tilpasse disse programmer til orthotrope materialer. Udfordringen ligger derfor i anvendelsen af teorien for kompositmaterialer i sammenhæng med konstruktionssoftwaren. Dvs. at opnå nogle fornuftige brugbare værdier, som kan anvendes til dimensionering af cykelstellet. Der ligger ligeledes en udfordring i, at der ikke er de samme spændinger overalt i cykelstellet, og at spændingerne heller ikke er ens orienteret. Dvs. at der skal dimensioneres retningsbestemt, og muligvis skal godstykkelsen ikke være ens i rør og i hårdt belastede punkter som krank, kronrør m.v.

3. Kravspecifikation

Følgende krav til dimensioner og gevind er valgt ud fra gængse standarder.

- Cykelstørrelse: 60 cm (standardstørrelse)

- Vægt: Maks. 2 kg.

- Krank: Gevind: Engelsk BSA-gevind, 34,8 x 24”

Længde: 69 mm

- Kronrør: Længde: 200 mm

Styrfittings: TH Industries aheadset, 1 1/8”, No. 11

- Endestykker, baggaffel: Spor for bagaksel: 10,5 mm

Gevind for bagskifter: M 10 x 1

- Rør for saddelpind: Indv. Diameter: Ø 27,2

Længde: 130 mm

- Bremsekonsol Gennemboring: Ø 6,5 / Ø 10,1

Længde: 20 mm

- Kabelholdere: Fremstilles til standard kabler

4. Infosøgning

Informationssøgning i betalingsdatabaserne ”Compendex” og ”Science Direct” har medført to anvendelige artikler (bilag 1 og 2). Bilag 1 beskriver overordnet nogle fordele ved anvendelse af kulfiber som fremstillingsmateriale til cykelstel. I artiklen omtales også fremstillingsmetoden til Treks OCLV-ramme. I korte træk lægges materialet op i en ydre form, hvorefter en trykballon blæses op inden i konstruktionen. Bilag 2 viser, hvilke kræfter et cykelstel påvirkes af under en ekstrem spurt, som anses som den hårdeste belastning, et cykelstel udsættes for under normale forhold. Derudover er der anvist forskellige testmetoder af stellet.

Søgning på søgedatabasen ”Google” har resulteret i følgende interessante internetsider. Ref. 1 angiver dimensioner på styrfittings, som ligger til grund for kronrørets udformning. Ref. 2 beskriver en praktisk fremstillingsmetode til fremstillingen af et cykelstel, hvor materialet lægges op på en kerne, hvorefter matrixen uddrives ved hjælp af gennemhullet isolérbånd. Ref. 3 viser den anvendte stelgeometri. Ref. 4 beskriver fordele og ulemper ved forskellige kompositmaterialer.

5. Fremstillingsmetode

Der er to fremstillingsmuligheder, som er relevante i forbindelse med cykelfremstilling. Den ene metode er baseret på en udvendig form, som er delt i to halvdele. Der laves så et oplæg i hver halvdel med et lille overlap, og de to halvdele trykkes sammen. I midten placeres en trykballon, som blæses op til 13 - 14 bar, efter at de to halvdele er samlet. Derved presses den overskydende matrix ud, og man kan komme op på en fiberprocent på 67%.

Den anden metode bygger på et kernemateriale, hvorpå de forskellige lag lægges op på. Dermed er både oplægning af fibermateriale og påføring af matrixmateriale manuelt arbejde. Når sidste lag er lagt på, vikles der et lag af gennemhullet isolérbånd stramt omkring emnet, hvorved den overskydende matrix pibler ud gennem hullerne. Hvis emnet hærdes i en ovn, vil isolérbåndet yderligere trække sig sammen omkring emnet ved opvarmningen.

Den første metode kræver fremstilling af forme og trykballoner. Ved et cykelstel er det meget besværligt at støbe stellet i et stykke, hvorfor det nok er nødvendigt at lave separate forme til alle samlinger og rør for derefter at lime de forskellige emner sammen til sidst.

Den anden metode kræver et fikstur til opspænding af div. dele og kernemateriale.

Da der i dette tilfælde kun skal fremstilles to cykelstel, vælges den sidste metode. Det skyldes, at forme og trykballoner er mere kostbart at fremstille end et opspændingsfikstur. Men der er ingen tvivl om, at den første metode er mere rentabel i fremstillingen af større serier, da det manuelle arbejde er langt mere omfattende ved den sidste metode.

7. Designfasen

7.1 Stelgeometri

Cykelstellet fremstilles i størrelse 60. Stellets dimensioner er bestemt på baggrund af ref.1, og er anført i fig. 1.

7.2 Udformning

Stellet er en såkaldt ”diamantramme”, hvorved der menes en traditionel cykelkonstruktion med overrør, kronrør, skrårør, sadelrør, skråstag og kædestag. Denne konstruktion er valgt på baggrund af internationale regler for udformning af konkurrencecykler. Kompositmaterialer giver ellers mulighed for nytænkende og kreativt cykeldesign som f. eks. monocoque-rammen (fig. 2), som er konstrueret i et sammenhængende stykke. Men trods den traditionelle cykelkonstruktion giver kompositmaterialer konstruktionsmæssige fordele i forhold til andre meget anvendte materialer som stål og aluminium. Materialet gør det muligt at variere godstykkelsen på rørene alt efter, hvor de er størst belastet, og man har forskellige muligheder for at forstærke samlinger og knudepunkter med store rundinger, så man udover at få en stærk samling også undgår kærvvirkning.

I fig. 3 ses stellet konstrueret i ProEngineering. Som det ses, er stellet forstærket i overgangen mellem krank, sadelrør og kædestag, overgangen mellem overrør, kronrør og skrårør samt overgangen mellem sadelrør, skråstag og overrør.

8. Dimensionering

8.1 Trækprøveforsøg

Trækprøveforsøgene (fig. 4) anvendes til at finde E-modul og brudstyrke for mulige oplægningsmetoder. Grunden til, at det er nødvendigt at foretage trækprøveforsøg, er, at de opgivne værdier for E-modul og brudstyrke ikke kan anvendes i praksis, da det ikke rent praktisk er muligt at lægge materialet op, så alle fibrene er strukket lige meget, hvilket betyder, at fibrene ikke er belastet lige meget alle sammen. Derudover har den praktisk opnåelige fiberprocent også indflydelse på de pågældende værdier.

Trækprøvestængerne (fig. 5) er lavet efter samme metode, som stellet skal laves efter for at få de mest realistiske værdier. Alle trækprøvestængerne er lagt op med fire lag for at få en fiberprocent på ca. det samme, som kan opnås i praksis. Der er lavet trækprøvestænger af oplæg for henholdsvis glasfibervæv, kulfiberroving og kulfibervæv. Der er lavet trækprøvestænger for roving både på langs og på tværs af fiberretningen, hvorimod vævene har de samme egenskaber i begge retninger. Der er yderligere lavet trækprøvestænger med roving på langs af fiberretningen, som har en indsnævring på midten (fig. 5). Det var nødvendigt for at få værdier for brudstyrken, da trækprøvemaskinen ikke kunne trække de andre prøvestænger over.

Bilag 3 – 7 er resultaterne af de omtalte forsøg fra trækprøvemaskinen. De anvendte værdier fra forsøgene er anført i nedenstående tabel.

	E-modul [N/mm²]	Brudstyrke [N/mm²]
Glasfibervæv	13310	229,7
Kulfibervæv	21120	330,6
Roving på langs	24870
Roving på tværs	3554	36,81
Roving på langs, indsnævret prøvestang	25040	729,2

8.2 Bestemmelse af godstykkelse

8.2.1 Fremgangsmetode

· Cykelstellet er konstrueret på baggrund af beregninger i LAP og ProEngineering. Først blev stellet tegnet op i ProE ned til mindste detalje. Der gennemføres fire forskellige tests i ProE med et materiale, hvis egenskaber minder om det forventede materiale.

Test 1: Test 1 gennemføres med de kræfter, som påvirker stellet under en ekstrem spurt (bilag 2).

Test 2: Her regnes med de kræfter, der påvirker stellet, når der bremses maksimalt på forbremsen med en person på 100 kg (bilag 12).

Test 3: Her regnes med de kræfter, der påvirker stellet, når der bremses maksimalt på bagbremsen med en person på 100 kg (bilag 12).

Test 4: Test 4 simulerer, at en person på 100 kg kører ud over en kantsten på cyklen. Til dette formål er der lavet en beregning af de kræfter, stellet påvirkes af, hvis cyklen falder frit fra 200 mm højde, hvorefter personens tyngdepunkt bevæger sig 50 mm efter, at cyklen er landet på jorden (bilag 12).

· Ud fra disse tests varieres godstykkelsen indtil skønsmæssigt acceptabelt spændings- og udbøjningsniveau.

· På baggrund af værdierne fra trækprøverne og værdierne udregnet i bilag 8 og bilag 9 lægges de forskellige materialer op i LAP. (fig. 6, 7, 8 og 11).

· Ud fra ProE bestemmes de forskellige godstykkelser, som har vist sig at være hensigtsmæssige de forskellige steder på stellet. Derefter lægges de forskellige lamina op i LAP med tilsvarende godstykkelser (fig. 9 og fig. 10). Vævene giver styrke både i længderetningen og tværretningen. De langsgående roving giver udelukkende i styrke længderetningen, hvilket modvirker bøjning. Roving i +/- 45° giver styrke mod torsion.

· Heraf fås den effektive stivhed for de to lamina. Disse værdier bruges til at opsætte materialer i ProE, hvorefter de fire forskellige tests køres igennem igen. I sammenspil mellem LAP (Tsai-Hill) og ProE bliver det klart, at der skal dimensioneres for udbøjning af stellet og ikke for brudstyrke. Spændingsniveauet fra ProE er anvendt til at bestemme, hvor der skal forstærkes med det kraftige lamina. Nedenfor i fig. 11, 12, 13 og 14 ses de fire forskellige tests i ProE med de endelige værdier. Farverne på stellet angiver udbøjningens størrelse i mm.

· Efter endelig dimensionering omregnes spændingerne i de kritiske punkter til en kraft fordelt over tværsnitsarealet, som sættes ind i LAP for de respektive lamina, og godstykkelsen tjekkes ved hjælp af ”Tsai-Hill”. Tsai-Hill-graferne for de værste værdier som hver af de to lamina udsættes for, er vist i fig. 15 og fig. 16. Som det ses af graferne, er der en god sikkerhed mod brud.

9. Praktisk fremstilling

Dette afsnit omhandler fremstillingen af cykelstellet helt fra de første faser. Afsnittet er primært bygget op omkring illustrerende billeder, som blev taget under forløbet med tilhørende forklarende tekst.

9.1 Aluminiumsdele

Det har været nødvendigt at lave visse af stellets elementer og dele i aluminium. Det er bl.a. der, hvor en nøjagtig pasning er påkrævet eller, hvor der skal være et præcist hul, gevind eller lignende. Der er også andre letmetaller, som er egnede til fremstillingen af disse dele, men valget er faldet på aluminium grundet den relativt lave pris sammenlignet med f.eks. titanium. Derudover er der flere forskellige legeringer, som har en høj styrke i forhold til materialets vægt.

Fig. 17 og 18 viser fremstillingen af en af aluminiumskomponenterne på en metalfræser. Fig. 19 viser et de færdige aluminiumsdele klar til at blive overfladebehandlet.

9.2 Fikstur

Fiksturet er en opspændingsskabelon til at bygge stellet op i. Der er nødvendigt med et fikstur for dels at få stellet bygget op i den rigtige stelgeometri, men også for at alle aluminiumsdelene sidder rigtigt i forhold til hinanden. Det er vigtigt, at fiksturet er stift, så det ikke giver sig efter det underlag, det stilles på, og det skal også være i stand til at kunne modstå mindre stød. En anden ting, man skal tage højde for, er, at stellet skal hærdes i en ovn ved ca. 50°C.

Løsningen blev at fremstille selve rammen af fiksturet i træ. Det er nemt og hurtigt at arbejde med, og det har en lav varmeudvidelseskoefficient, hvilket er relevant, når det skal i ovnen. Der blev lavet nogle konsoller til at fiksere kronrør, sadelrør, krank og endestykker til baggaflen i st37, som så blev skruet på trærammen. Selve rammen blev fremstillet i mahogni, da det er en af de træsorter, der arbejder mindst under temperaturændringer. Der blev valgt nogle kraftige egeblokke til at skrue konsollerne ned i, fordi det er en hård træsort, som tåler, at skruerne spændes hårdt. Forstærkningerne på mahognirammen er lavet af ahorn. Alt træ som er brugt til fiksturet, er ovntørret for at undgå, at træet slår sig under opvarmning. I fig. 20 ses fremstillingen af fiksturet.

Herefter sættes konsollerne til aluminiumsdelene på trærammen. Det foregår ved, at aludelene spændes fast til konsollerne, hvorefter konsollerne skrues fast til rammen enkeltvis, samtidig med at de sættes nøjagtigt i forhold til hinanden. Det gøres ved, at trærammen spændes fast til planet på en metalfræser (fig. 21), hvorefter alle dele måles ud i forhold til hinanden med mikrometerur og digitalskala (fig. 22).

9.3 Skumdele

Ud over de dele, som er udført i aluminium, er resten af stellet bygget op i PVC-skum. Der er dels rørene og dels forstærkningerne i samlingerne, som er udført i skum. Alle skumdelene er limet sammen med polyuritanlim grundet den høje temperaturbestandighed.

Først laves overrør, skrårør, sadelrør og skråstag. Fremgangsmetoden er, at man starter med en firkantet klods, som er savet af på tilstrækkelig længde. Først bores kernen af skumklodsen ud ved at spænde et tyndvæget jernrør, som er spidset i den ene ende, op i en metal-drejebænk og derefter presse skumklodsen ind over. Der er nu tilstrækkelig meget friktion mellem skum og jernrør til, at skumklodsen kan drejes ned til den ønskede diameter (fig. 23a og fig. 23b). Til sidst lægges et tyndt lag glasfiber på skumrøret, mens det sidder på jernrøret for at afsive det. Når epoxy´en er hærdet op, kan skumrøret trækkes af jernrøret, og det er nu klar til at tilpasse til opsætningen i fiksturet (fig. 24).

Forstærkningerne er dels lavet på en skumdrejningsmaskine, der blev fremstillet til formålet og dels finpudset i hånden (fig.25). Skumdrejningsmaskinen er konstrueret ved, at der er svejset to lejebøsninger til et fundament, hvori der sidder to aksler. Disse aksler har hver især en trefork i enden, som kan presses ind i skummet. Der er udover det opspændt en fjederpåvirket konstantantråd langs med akslerne, hvis afstand kan justeres i forhold til aklernes centerakser. Når der ledes en strøm gennem konstantantråden, kan den dreje alle størrelser rundinger op til en vis grænse ved hjælp af et håndsving, som sidder på den ene aksel.

Skråstag og kædestag er limet op i en skabelon, som blev fremstillet til formålet (fig. 26). Fig 27 viser en tilpasning af en af skumprofilerne.

9.4 Opbygning af stellet

Efter at fiksturet og alle de løsdele, der skal bruges til fremstillingen af stellet, er lavet, skal selve stellet opbygges. Som beskrevet ovenfor er kronrør, holder for sadelpind, krankbøsning og endestykker til baggaflen spændt op på fiksturet. Så tilpasses alle skumprofilerne, så de ved pålimning på aluminiumsdelene tilsammen danner stellets facon. Som beskrevet tideligere skal alle rørprofilerne have 6 lag væv og roving, hvorimod de ekstra udsatte samlinger skal have 10 lag. Samlingerne får dog to lag ekstra, da det er nødvendigt at fastgøre alle rørene til krankbøsning,

holder for sadelpind og kronrør, inden skumforstærkningerne limes på (fig. 28).

Derudover skal både skråstag og kædestag have to ekstra lag roving på siderne for at minimere udbøjningen af bagstellet. Herefter limes skumforstærkningerne på rørene (fig. 29), hvorefter der forstærkes med de påkrævede 4 lag.

Nu hvor stellet er ekstra forstærket på de udsatte steder lægges de sidste lag på ét af gangen(fig. 30).

Efter de to lag roving i 45 ° vikles hele stellet ind i isolerbånd, og epoxy´en får lov at hærde helt op (fig. 31). Efter at den er hærdet, slibes ujævnheder væk, så man får et glat lige underlag før oplægning af sidste to lag.

Efter rovingen er lagt på, lægges et lag kulfibervæv, som slibes ned til en jævn overflade. Herefter lægges det afsluttende lag kulfibervæv på. Nu påføres to lag epoxy, som gør det muligt at slibe stellet jævnt uden at komme ned i kulfibervævet.

De sidste aludele i form af kabelholdere limes på stellet, hvorefter staferingerne sættes på. Til sidst lakeres og monteres cyklen. Da plastmaterialer generelt nedbrydes af UV-stråling, er der valgt en UV-bestandig lak for at beskytte epoxymatrixen.

Project "Carbon Fiber Bicycle"