Летательный пост №4 Рамы! | Пикабу

Вторая часть нашумевшей статьи. Love or hate! На фото выше – рама Unno в готовом виде на фоне всех лоскутов карбонового волокна, которые в ней были использованы.

Карбон

Практически непригоден для переработки, но и отходов меньше.

Откуда взялся

Из названия (Карбон ака углерод) понятно, что это продукт переработки сырой нефти. Если просто описать процесс, то из Акрила (полимер на основе акриловой и метакриловой кислот, не путать с оргстеклом/ Переводчик) сначала делают синтетическое волокно, за этим следует 3 стадии термической обработки:

Первая – окисление исходного волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов.

Вторая – нагрев в инертной (азот/аргон) при температурах от 800 до 1500 °C.

Третья – термическая обработка в инертной среде при температуре 1600-3000 °C.

В результате всех этих хитрых манипуляций получается волокно с содержанием углерода около 99% от общего количества. Это весьма сложный и дорогостоящий процесс. Машины, которые плетут такое волокно, очень длинные и их немного, что сказывается на конечной стоимости продукта. А вот уже готовые нити можно скатывать в мотки и хранить сколь угодно длительное время, так как сам материал инертен. Изготовить из такой нити лоскут ткани не сложнее, чем производство любой другой текстильной продукции.

Производственная линия в Oak Ridge длиной 120 метров (в начале 40-х в этом городе ковался ядерный щит США, под кодовым названием «Манхеттенский проект». Именно там родились бомбуэ, упавшие на Хиросиму и Нагасаки/ Переводчик).

Но после того, как из нитей сплетут какое-то изделие, зальют его смолой и запекут в печи, их очень трудно переработать. Смолы, которыми фиксируются волокна, при разложении токсичны, а основным методом переработки является измельчение углеродного материала (банально дробят и жгут готовые продукты/ Переводчик). Понятно, что после такой «переработки» о повторном использовании в качестве материала для исходного изделия даже не идёт речь. Вероятность того, что карбоновая рама после переработки снова будет карбоновой рамой – крайне мала.

Статистика

Глобальный объем производства карбонового волокна около 135 000 тонн в год (сравните с 24 800 000 тонн алюминия). На 2023 год крупнейшими производителями были США и Мексика (48.7 тыс. тонн), Япония (27.1 тыс. тонн) и Китай (13.3 тыс. тонн). Аэрокосмическая отрасль потребляет около 80% от общего оборота (в среднем на один самолёт Boeing/Airbus уходит до 30 тонн/ Переводчик), 15% занимают производители спорттоваров, где лидирующие позиции занимает гольф (!) и «лыжные» виды спорта, велосипеды пасут задних. Ожидается, что в скором времени и автомобильная промышленность тоже станет весомым игроком на рынке.

Производство карбониевых рам

Чтобы превратить нить в карбоновую раму, из неё сначала делают лоскуты ткани с однонаправленными или разнонаправленными «жилами», затем эти лоскуты ткани пропитываются смолой и складываются в определенном порядке вокруг специальной надувной формы. С момента начала пропитки смола начинает застывать и вам нужно использовать пропитанный лоскут, либо поместить его в холодильник на хранение. Лоскуты липнут друг к другу, что упрощает процесс наслаивания лоскутов вокруг формы.

Лоскуты карбона оборачивают вокруг надувной пенополистирольной формы для будущей рамы Pivot.

Предварительно подготовленные лоскуты карбоновой ткани пропитывают специальной смолой, которая не затвердеет полностью, пока её не нагреют до определенной температуры. Чтобы все лоскуты хорошенько пропитались смолой и склеились друг с другом, их помещают в специальную форму из двух скручивающихся половин, а в надувную форму, вокруг которой складывались пластины, подают газ под давлением. После всех этих процедур рама в форме отправляется в автоклав для запекания. После того, как запеченный карбон остынет, его уже нельзя будет повторно расплавить и использовать, как это делается с пластмассой.

Специальная внешняя металлическая форма для запекания.

Существует ещё несколько способов производства карбоновых конструкций, но большинство ведущих производителей используют именно этот метод. Сами формы для запекания делаются из стальных болванок. Для каждого размера рамы нужна своя подходящая форма. Передний треугольник чаще всего делают за один подход, а заковыристые детали вроде свингарма (задний треугольник или перья, кому-как угодно/ Переводчик) приходится делать из нескольких частей, соединяя их во время запекания.

Сама форма стоит от 40 000 до 80 000 долларов в зависимости от сложности конструкции (именно поэтому прототипы лепят из алюминия, с ним проще работать в плане экспериментов/ Переводчик), а живут они от 1 до 3-х лет, в зависимости от того, сколько сил потребуется для извлечения карбоновой детали после запекания.

После запекания и остывания карбоновые детали рамы Pivot извлекаются из форм.

«Если вы используете алюминий, то от момента получения материала, после обработки заготовок, ковки, и гидроформинга труб, до готовой рамы проходит 150-180 дней, а минимальный размер партии около 500 единиц. Тот же процесс для карбоновых рам составляет 90-120 дней. Алюминий дешевле, но планировать его производство сложнее». – Крис Кокалис, основатель Pivot Cycles.

Соотношение прочности к весу у карбона просто невероятно. Европейская фирма Dexcraft Composites говорит, что одна и та же деталь, с одинаковой толщиной стенок, созданная из карбона будет на 31% жестче, чем алюминиевая. При этом она будет вполовину легче и крепче на 60%. А если вы сделаете такую деталь из многослойного, разнонаправленного волокна, то показатели будут ещё выше. Шоссейные и некоторые кантрийные образцы рам уже впрямую приблизились к этим цифрам, однако производители серьезных МТВ-пушек слишком консервативно подходят к процессу создания рам и сейчас разница между алюминиевой и карбоновой рамой всего полкилограмма (то есть теоретически можно сделать даунхилльную раму, весом 2 кило, а в случае Трека вообще 1.5/ Переводчик).

Делать карбоновые рамы гораздо проще. Им не нужны крутые сварщики и стапели для сварки, а дополнительная прочность только помогает производителям, ведь раму банально труднее сломать, а значит и менять по гарантии ничего не придётся. Персонал на заводе должен быть внимательным и осторожным, но не обязательно высококвалифицированным (ага, можно набирать работников с улицы, которые будут работать за еду, профит/ Переводчик). Обычно «поклейка» танчиков велосипеда происходит в хорошо проветриваемой комнате с кондиционером, а процесс производства гораздо менее травмоопасен.

Обратной стороной являются первоначальные затраты на материалы (от $40 за кило), и на формы для запекания для тестовых образцов. Сам процесс укладки лоскутов карбона утомительный, а делать его нужно правильно. При этом он оплачивается слабо (из-за обилия желающих поклеить за еду/ Переводчик) и опытные работники тут не задерживаются.

Несмотря на обилие токсичных веществ, уже пропитанные лоскуты редко бывают опасны для работников, а ведь большинство небольших производителей закупается уже пропитанными лоскутами. Хотя длительное воздействие на открытую кожу и может вызвать аллергическую реакцию, но резиновых перчаток вполне достаточно для защиты, плюс они помогают избежать попадания влаги, масел или грязи внутрь во время поклейки.

Более крупные производители, вроде Giant Bicycles, предпочитают пропитывать лоскуты самостоятельно, чтобы не зависеть от поставок и иметь ровно столько подготовленного материала, сколько нужно. Понятно, что персонал помещений, где происходит подготовка и пропитка карбонового волокна, подвержен повышенному риску.

Переработка карбония

В данный момент велопроизводители не создают такие объемы карбоновой продукции, чтобы по её лому были какие-то данные. Toray – один из самых больших производителей карбонового волокна, заявляет, что около 4.5 тысяч тонн карбонового лома появляется каждый год, из которого тысяча тонн приходит из Вашингтона, где Toray обслуживает Boeing и другие аэрокосмические предприятия. Из карбонового мусора от Boeing’а и компании можно делать 400 000 карбоновых велосипедов в год, но отходы велоиндустрии ничтожно малы.

Сейчас робот просверлит первое отверстие в 65-метровом крыле Боинга 777X. В нем почти 650 километров углеродной нити.

В Toray закладывают примерно 20% на отходы от производств аэрокосмической отрасли, а в велосипедной промышленности такого нет и подавно, как у мелких производителей, так и у крупных. «Мы делаем 125 ободов в неделю. И общее количество отходов от производства – это один пластиковый мешок для мусора набитый бумажной обёрткой». – говорит всё тот же Дастин Адамс.

Крупные велосипедные производители, вроде Trek, Specialized, или Ibis – отправляют на вторичную переработку те рамы, которые пришли по гарантийному возврату. Для переработки карбоновый лом выжигают в печах и дробят, а получившуюся мешанину используют для усиления пластика, изготовления структурных панелей, смешивают с асфальтом и используют для армирования бетона.

На фото хорошо видно, что тормозные ручки Magura MT8 сделаны из переработанного карбонового волокна (видимо сам рычаг по новой заливают эпоксидной смолой, а вот ручка сделана из пластика с добавлением переработанного углеродного волокна/ Переводчик).

/Дальше идёт зелёная чепуха о том, какие велопроизводители молодцы, что все отправляют отходы на переработку и сами пытаются изобрести какие-нибудь новые методы переработки, и как им приходится кооперироваться, чтобы насобирать лома на минимальную отправку и тд и тп./

А что можешь сделать ты?

Как и с алюминиевым велосипедом, свою карбоновую раму едва ли кто-то захочет отправить в утиль, ведь с заложенными характеристиками и свойствами самого карбона рама скорее морально устареет, чем сломается, а вы сможете говорить своим внукам – «Смотри, щенок, на чём твой дед виповал!»

Всё тот же Крис Кокалис говорит, что карбоновая рама даст вам максимальную прочность и минимальный вес и позволяет не так запариваться по поводу особо нагруженных узлов, как алюминиевые рамы. С другой стороны, если вы можете предложить схожую по характеристикам раму, пусть и с чуть большим весом, но по более выгодной цене (примерно на $1к меньше), то это весьма жизнеспособный вариант. За примерами далеко ходить не надо, алюминиевый Mach 6 от Pivot или тот же Specialized Demo.

Сравнение карбоновой и алюминиевой рам Specialized Demo 8.

Так что же лучше?

Если бы лично я собирался запустить новый завод по производству горных велосипедов, я бы взял карбоний. Я считаю, что алюминиевые конструкции достигли своего апогея и без каких-то новых прорывных технологий в этой сфере ничего не изменится. Логика проста, если дать по миллиону долларов на улучшение карбоновой и алюминиевой рамы, то едва ли алюминиевый вариант будет сильно отличаться от тех топовых образцов, что мы видим на рынке сейчас. А вот карбоновые технологии новы и только начали развиваться.

Если бы я учил детей в школе рациональности использования природных ресурсов, то катался бы на алюминиевом велосипеде потому, что мне бы не пришлось спорить с детьми на тему того, почему я взял карбоновый велосипед, если его очень сложно переработать.

А если бы я владел компанией, которая хочет производить велосипеды, но заботится о окружающей среде. То сначала бы разработал подходящий дизайн для рамы, а потом бы нашел хороший завод, который не сливает отходы в океан или что-то в таком духе.

Если я просто езжу эндуро или даунхилл, то не думаю, что полкило или килограмм, который я смогу сэкономить благодаря карбоновой раме и колёсам, как-то заметно повлияют на моё катание. А вот для профессионалов карбон – это отличный выбор.

А ломается всё.

//////////

В общем да, понимаю чувства тех, кто ждал срыв покровов и ответа на вопрос «Что же лучше», а получил перевод статьи про экологию, разбавленную моими комментариями и выдержками из википедии в части производства и утилизации материалов. Сильно не серчайте.