如今，碳纖維是許多自行車的理想材料，同時也是一種資源密集型材料。為了減少黑色纖維的工作量和不良碳足跡，一些制造商已經(jīng)開始在碳纖維車架生產(chǎn)方面開辟新天地。這可以使未來的碳纖維車架在每個方面都變得更好，但此過程中存在一些障礙。
現(xiàn)在，幾乎每個騎行愛好者都擁有一輛山地車。一旦被大眾接受，山地車很快就被證明具有巨大的經(jīng)濟潛力，這反過來又推動了各種發(fā)展——包括新的制造工藝。
在這篇文章中，我們深入探討了每輛山地車的核心：車架。更準確地說，它是如何制作的。如果你現(xiàn)在看到一輛自行車，問它是碳架嗎？人們可能會懷疑你是否一直生活在過去。如今幾乎所有現(xiàn)代自行車部件上都有碳部件。當然，還有一系列其他材料可以與黑色纖維競爭，鋁一直存在，鋼從未完全消亡，鈦同樣是一種追求。但碳纖維是自行車制造的永久固定材料，黑色纖維正在進行許多技術創(chuàng)新，因為制造商的經(jīng)濟和環(huán)境目標已經(jīng)改變。目前，未來自行車的碳幾乎總是來自亞洲某處的烤箱，但它可能很快就會由歐洲的機械臂產(chǎn)生?；蛘?，在成為你的山地車車架之前，它甚至可能經(jīng)過多次回收過程。
山地車車架結構的過去和現(xiàn)在
早期的自行車車架通常由鋼制成，它們由直鋼管通過鋼耳釬焊在一起，其中一些看上去也挺精美的。70年代，加利福尼亞州馬林縣的加里·費舍爾 （Gary Fisher）和伙伴首次將自行車改裝為越野車使用時，它們也是基于鋼架打造的。80年代，第一批鋁制和碳纖維車架投入生產(chǎn)，用于公路和山地自行車。鋁制車架起初也有直管，只有通過液壓成型和數(shù)控加工，彎曲的管子形狀、可變的壁厚和復雜的連接件（如車架和減震器之間的連接）才成為可能。如今，制造商仍在使用這些技術來制造高性能的鋁制自行車車架。
作為一種全新的材料，碳纖維車架結構在獲得任何成功之前經(jīng)歷了幾個古怪的概念。第一輛碳纖維山地車路特斯SPORT看起來像一個巨大的回旋鏢，它與以前經(jīng)典的菱形框架形狀沒有任何共同之處。在公路領域，情況就不同了：意大利品牌Colnago在1994年大獲成功，當時他們將直碳管粘合到碳纖維凸耳上，保留了C40公路自行車的菱形形狀。從那時起，由于許多技術創(chuàng)新，碳纖維已經(jīng)發(fā)展成為一種久經(jīng)考驗且經(jīng)常令人垂涎的山地自行車車架材料。
如今，我們生產(chǎn)的大多數(shù)自行車車架都采用硬殼式結構。為此，碳纖維板，即所謂的預浸料，被切割成一定尺寸，然后手工放入鋁模具中，直到獲得所需的框架圖案，這稱為疊層。然后，通過壓力和熱量，將這兩半粘合在一起，并在大型烤箱（稱為高壓釜）的模具中固化，從而形成成品車架。
由于硬殼式工藝中復雜的鋪層，現(xiàn)代碳纖維車架和其他碳纖維部件可以提供多種性能，并且在處理得當?shù)那闆r下可以使用很長時間。從超輕量級到順應性、減振、堅固，只要愿意為此付費，幾乎一切皆有可能。那么，神奇的黑色纖維都很好嗎？不完全是！碳生產(chǎn)的疊層需要大量的體力勞動，這很昂貴。此外，硬殼式設計需要非常昂貴的工具。每個部件都需要自己的模具，該模具由實心鋁塊加工而成，每個模具的成本都可能與中檔汽車一樣多。這項投資必須得到回報，而且要迅速完成。
想制作一些原型？新款的車架應該有更陡峭的座管角度嗎？那你就需要一個全新的模具了！這對制造商來說會增加成本。因此，以硬殼式方式制造碳部件的成本只有在一定數(shù)量的銷售時才能證明是合理的。即便如此，該過程也是非常耗能的，并且會污染環(huán)境。碳的生產(chǎn)每生產(chǎn)一公斤材料會排放約30公斤的二氧化碳，10%至30%的碳會變成廢物，僅在德國，每年就產(chǎn)生870噸碳廢物。由于目前還沒有有效的碳回收解決方案，黑色纖維目前堆積在危險廢物的垃圾場上。因此，有很多充分的理由質(zhì)疑碳纖維車架的生產(chǎn)方法——甚至可能從頭開始重新發(fā)明它！
未來的碳纖維山地車——綠色還是“金色”？
越來越多的制造商正在重新思考和改變他們生產(chǎn)碳成分的方式，不過制造商通過改變生產(chǎn)技術所追求的各個目標存在很大差異，是遵循可持續(xù)發(fā)展的綠色，還是繼續(xù)追求盈利賺取真金白銀？
小批量山地自行車的精益生產(chǎn)
讓我們從一個極端開始：速降賽車。自2019年以來，Rachel、Gee和Dan Atherton三兄妹一直在制造以他們姓氏命名的自行車，他們的車架使用碳纖維，但不是經(jīng)典的硬殼式結構，取而代之的是碳管粘合到3D打印的鈦制凸耳上。
這又回到了千禧年之交前的公路自行車一樣？是的，沒錯。但它們所承受的力量與鵝卵石和瀝青路面上的公路自行車完全不同。別擔心，Atherton Bikes的制造工藝已在航空和一級方程式行業(yè)的原型制造中得到證明。使用鋁加工的硬殼式模具需要花費大量時間和金錢，需要大批量生產(chǎn)才能盈利。然而，Atherton Bikes提供多種尺寸，并且還滿足定制需求，按訂單構建每個車架。
但Atherton Bikes也出于純粹的賽車性能原因而采用這種方法進行生產(chǎn)。直管和圓管可能看起來很簡陋，但它們的壁厚會根據(jù)在車架上的各自位置進行調(diào)整。當3D打印鈦制凸耳時，Atherton Bikes還看到了所需材料的優(yōu)勢，同時始終保持幾何形狀的靈活性。凸耳的設計和角度可以通過3D打印機以數(shù)字方式改變。碳管根據(jù)需要切割成一定長度。與硬殼式產(chǎn)品相比，這種生產(chǎn)方法使生產(chǎn)成本降低，盡管產(chǎn)量適中，同時也減少了材料浪費。如有必要，可以很容易地修復筆直、均勻的碳管中的缺陷，這在具有復雜和脆弱幾何形狀的硬殼式車架上往往很困難。所以現(xiàn)在有不少品牌也采用了類似的設計，比如Pivot 和Specialized。
來自山地車行業(yè)第三方供應商的綠色理念
誠然，一些職業(yè)速降車隊并不能準確反映整個山地車行業(yè)。為了確定未來碳纖維車架生產(chǎn)的總體方向，更有趣的是研究不僅針對一小群賽車手，而且針對像我們這樣的普通人的方法。生產(chǎn)車架的問題從來都不是自行車品牌自己保留的。遠東供應商提供的專業(yè)知識、機器和工藝是大多數(shù)自行車公司在詢問技術上可實現(xiàn)的目標時要考慮的重要因素。目前，自行車行業(yè)有許多以前不為人知的新參與者，他們正在將自己定位為在未來的碳生產(chǎn)中擁有發(fā)言權。
山地車車架碳復合材料中的生態(tài)纖維
SCALE是來自法國的第三方供應商，本身并不直接參與自行車生產(chǎn)。法國材料專家正在尋求與希望使其碳產(chǎn)品更加氣候友好的制造商建立合作伙伴關系。在此過程中，他們繼續(xù)使用久經(jīng)考驗且值得信賴的單殼式結構。然而，根據(jù)功能要求，高達50%的碳可以被SCALE的特殊生態(tài)纖維所取代，從而改善成品部件的整體環(huán)境足跡。據(jù)這家初創(chuàng)公司稱，在質(zhì)量上沒有任何妥協(xié)，相反，其材料的高扭轉剛性，在視覺上讓人聯(lián)想到淺色動物毛發(fā)，如果實施得當，實際上可以提高最終產(chǎn)品的性能。然而，仍然需要傳統(tǒng)的碳纖維來為部件提供足夠的抗拉強度，因為它們的生態(tài)纖維在這方面的性能較低。因此，SCALE的生態(tài)纖維不能完全取代資源密集型的黑色纖維。整個過程仍然需要在環(huán)氧樹脂中固化?？傮w而言，根據(jù)SCALE的說法，他們的技術可以減少40%的二氧化碳排放，因為生態(tài)纖維是以氣候友好的方式生產(chǎn)的。這家法國公司目前正在與幾個自行車品牌進行談判，希望利用他們的專業(yè)知識制造更環(huán)保的碳纖維山地自行車。
熱固性碳是一種單向生產(chǎn)工藝。加工后的纖維，無論是生態(tài)纖維還是碳纖維，都不能與固化它們的環(huán)氧樹脂分開。目前在我們的自行車上發(fā)現(xiàn)的碳纖維成分幾乎都是熱固性的。如果發(fā)生損壞或產(chǎn)品生命周期結束時，它們只不過是危險廢物。另一方面，熱塑性碳也由碳纖維組成，但這些碳纖維沒有浸泡在環(huán)氧樹脂中，而是使用了一種替代粘合劑，加熱時可以再次液化。因此，熱塑性碳中的纖維可以通過加熱組件來提取，理論上可以重復使用它們。
Fibertech Bike Technology（Fi.Bi.TEC）采取了不同的方法。這家德國公司扎根于汽車行業(yè)，采用一種已經(jīng)成為汽車標準的方法制造自行車車架。它們使用熱塑性塑料和碳，但不需要碳預浸料、鋪設模型或烤箱。在Fi.Bi.TEC，碳纖維以顆粒形式出現(xiàn)，可用于注塑成型。通過在關鍵區(qū)域添加鋼筋，他們可以高精度地對車架的屬性進行建模。該工藝的優(yōu)點是100%減少生產(chǎn)浪費、汽車質(zhì)量標準和令人印象深刻的生產(chǎn)速度。Fi.Bi.TEC可以在短短一分鐘內(nèi)沖壓出一個新車架，并且該工藝有可能將二氧化碳排放量減少80%。
是什么阻礙了未來的碳纖維車架？
我們已經(jīng)確定碳纖維車架的替代生產(chǎn)方法已經(jīng)存在，它們可以消除復雜的硬殼式模具、手動鋪層和高壓釜中的能源密集型烘烤。它們也可以贏得獎牌。Revved Carbon、SCALE和Fi.Bi.TEC 等創(chuàng)新者已經(jīng)擁有資源節(jié)約型碳生產(chǎn)所需的專業(yè)知識，這也提供了切實的優(yōu)勢，例如提高抗沖擊性。特別是凸耳碳管，在專業(yè)速降比賽或原型制作中快速調(diào)整時，已經(jīng)證明了它們的潛力。但是，這種生產(chǎn)方法主要適用于小批量或定制。
熱塑性碳組件經(jīng)常被吹捧的王牌是它們的可回收性，因此具有可持續(xù)性。然而，在目前的技術狀態(tài)下，它應該被稱為降級循環(huán)而不是回收。Revved Carbon可以粉碎其材料的邊角料，然后繼續(xù)將其用于較小的部件或注塑成型。自行車制造商FORGE+BOND提供了降級回收的一個具體例子。這個美國品牌使用熱塑性碳來生產(chǎn)其輪圈。它們重塑有缺陷的產(chǎn)品或生產(chǎn)廢料，讓它繼續(xù)存在。雖然這并不完全是真的回收。再利用熱塑性碳的技術嘗試可能會在未來幾年為這些材料提供強大的推動力。由于新的合作和行業(yè)日益增長的興趣，有缺陷的碳纖維車架實際上可能會在未來成為新的車架。
山地車車架制造商需要重新思考
替代碳纖維產(chǎn)品在大眾市場上的成功很大程度上取決于自行車品牌是否愿意參與替代工藝。材料專家已經(jīng)確定，碳纖車架的新型生產(chǎn)方法對制造商來說在經(jīng)濟上是可行的。那么，為什么很少有品牌采用替代方法，例如與Revved Carbon合作的Guerrilla Gravity？新方法無法無縫集成到自行車制造商的現(xiàn)有結構中，我們不能簡單地將Revved Carbon放置在傳統(tǒng)的硬殼式模具中并遵循完全相同的生產(chǎn)過程。此外，即使是車架的結構也必須適應新材料，以充分利用其性能。許多品牌的碳纖維車架在遠東的大型工廠生產(chǎn)，與其他品牌共享生產(chǎn)能力。只要競爭對手至少不對擺脫傳統(tǒng)的熱固性碳表現(xiàn)出興趣，推動將整條生產(chǎn)線轉換為新材料和生產(chǎn)工藝的單一客戶就不太可能取得多大成功。剩下的唯一選擇是品牌更換生產(chǎn)合作伙伴，進行更多的本地生產(chǎn)，或者將生產(chǎn)帶到內(nèi)部。所有這些都伴隨著復雜的戰(zhàn)略變化、不確定性和資本投資。因此，盡管存在潛在的機會，但轉向新的制造工藝往往在發(fā)展之前就被扼殺在萌芽狀態(tài)。
編輯：濱
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