موضوع مقاله: دوچرخه‌های کامپوزیتی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # دوچرخه‌های کامپوزیتی | مقدمه: پیوند= مدرن بسیاری از دوچرخه‌ها هنوز هم به‌طور دستی ساخته می‌شوند، که این امر امکان آزمایش مواد نوین و روش‌های ساخت جدید در مقیاس کوچک را مقدور می‌سازد. | ## بخش 1: دوچرخه‌های کامپوزیتی | از طرفی باتوجه به سرعت نسبتاً پایین ترِ دوچرخه‌ها نسبت به اتومبیل و هواپیماها، در صورت شکست و از کار افتادن مواد، خسارات به مراتب سبک‌تر خواهند بود. فریم (قاب) دوچرخه‌ها، از لوله ساخته می‌شوند و نحوهٔ اتصال لوله‌ها به یکدیگر از فاکتورهای اصلی مونتاژ و انتخاب مواد محسوب می‌شود. در قرن بیستم میلادی قاب دوچرخه‌ها از لوله‌های فولادی ساخته می‌شدند و توسط فرایند لحیم کاری سخت(Brazing) به یکدیگر متصل می‌شدند. تولید دوچرخه های فیبر کربن با فناوری چاپ سه بعدی هدف اصلی از تولید دوچرخه فیبر کربن نمایش قابلیت‌های فناوری چاپ سه بعدی و نرم افزار این استارتاپ است که امکان تولید قطعات سبک و مقاوم کامپوزیت فیبر کربن را برای صنایعی نظیر فضانوردی، حمل و نقل هوایی و خودروها با قیمت به مراتب کمتر فراهم می‌کند. آلیاژهای قاب دوچرخه فریم‌های ارزان قیمت از لوله‌هایی از جنس فولاد کم کربن ساخته می‌شوند. پیوند= با فریم فولادی دلیل گران بودن فیبر کربن معمولی این است که کارگران الیاف را حول یک محور چرخانده و آن‌ها را به صورت دستی به مواد چسبناک یا رزین آغشته می‌کنند. در مرحله بعد برای نفوذ این مواد به الیاف و افزایش هرچه بیشتر استحکام، مواد درون کوره قرار داده می‌شوند. Arevo برای غلبه بر این مشکل از بازویی رباتیک برای چاپ شکل سه بعدی قالب دوچرخه بهره می‌برد. این ابزار رشته‌های فیبر کربن را از طریق نازل خارج کرده و برای یکپارچه کردن آن ماده ای ترموپلاستیک را ذوب می‌کند. یک دوچرخهٔ معمولی که با این نوع آلیاژ ساخته شود، بگونه ایست که هرمتر لولهٔ آن حدود ۸۶۰ گرم جرم دارد. فولادهای سبک‌تر که از جنس فولادها آلیاژی با عنصر آلیاژی کروم و مولیبدن هستند، به‌طور تقریبی استحکام تسلیمشان دو برابر فولادهای کم کربن می‌باشد. | ## بخش 2: دوچرخه‌های کامپوزیتی | یک دوچرخهٔ معمولی که با این نوع آلیاژ ساخته شود، بگونه ایست که هرمتر لولهٔ آن حدود ۶۰۰ گرم جرم دارد. امروزه روند استفاده از آلیاژهای سبک به سمت استفاده از آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم رفته‌است. پیوند= با فریم آلومینیومی با جوشکاری و عملیات حرارتی.آلیاژ آلومینیوم استحکام تسلیمش مقدار بسیار کمی از فولادهای کم کربن بیشتر است اما چگالی اش حدود یک سوم آن می‌باشد. آلیاژ تیتانیم حدوداً سه برابر فولادهای کم کربن استحکام دارند و از طرفی چگالی آن‌ها حدود نصف فولادهای کم کربن می‌باشد. در مورد آلیاژ تیتانیوم جوشکاری در حضور اتمسفر گازی خنثی انجام می‌شود که این امر سبب می‌شود فرایند جوشکاری آن‌ها زمان بر و هزینه بر شود. پیوند= تیتانیم و اتصالات جوشکاری شده این محدودیت‌ها در تولیدات انبوه باید در نظر گرفته شوند. اگر اتصال با جوشکاری صورت پذیرد از ناحیهٔ اتصال استحکام حاصل از سخت کردن رسوبی از بین می‌رود. از طرف دیگر اگر این کار انجام نشود ناحیهٔ جوشکاری شده در اتصالات لوله‌ها از سایر نقاط استحکام کمتری خواهد داشت و این نکته ای منفی خواهد بود. فریم‌های نوین کامپوزیتی یکی از نوین‌ترین توسعه‌ها در زمینهٔ ساخت فریم‌های دوچرخه‌ها استفاده از مواد کامپوزیتی تقویت شده با لیاف می‌باشد. پیوند= تقویت شده با الیاف کربن این الیاف‌ها در دسترس هستند و می‌توان از الیاف کربنی به عنوان جایگزینی با استحکام بالا و قیمت کمتر برای نمونه‌های قدیمی استفاده کرد. مزایای فریم‌های پلاستیک‌های تقویت‌شده با فیبر کربن الیاف کربن حدود دو برابر فولاد مدول یانگ دارند. | ## بخش 3: دوچرخه‌های کامپوزیتی | هر گونه شکل و هندسه ای می‌تواند با پیچیدن الیاف بر روی ابزار شکل دهنده نظیر ماندرل یا هستهٔ فومی تولید گردد. با توجه به استحکام بسیار بالایی که دارند می‌توانند گزینهٔ بسیار خوب و سبکی برای فریم‌های دوچرخه‌ها باشند. عیوب فریم‌های پلاستیک‌های تقویت‌شده با فیبر کربن اما عیوب استفاده از این کامپوزیت‌ها هم باید در نظر گرفته شوند که مهم‌ترین آهنا در ادامه توضیح داده خواهند شد: ۱- این کامپوزیت‌ها ذاتاً مواد تردی بحساب می‌آیند پس شکست در آن‌ها بسیار حساس به حضور ترک‌ها در این مواد است. چقرمگی شکست پلاستیک‌های تقویت شده با فیبر کربن توسط مکانیزم‌های زیر کنترل می‌شود: ازهم گسیختگی بین فیبر کربن و ماتریکس پلیمری فیبر کشویی نفوذپذیری بین صفحات ۲- هزینهٔ اولیهٔ این مواد و فرایندهای ساخت آن نسبتاً بالاست. در حقیقت دست مهندسان طراح برای طراحی هندسهٔ فریم‌ها بسیار آزاد است و می‌توانند با ماندرل و … به راحتی هندسه‌های مختلفی ایجاد کنند. این کار احتیاج به سعی و خطا و استفاده از روش‌های ویژهٔ محسباتی برای طراحی قابل اطمینان خواهد داشت. از طرفی تمایل به ساخت فریم‌های یک تکه بدون نیاز به اتصالات لوله‌ها باعث می‌شود که هزینه‌های اتصالات و همچنین احتمال شکست از ناحیهٔ اتصالات که خصوصاً در آلیاژهای آلومینیومی مورد توجه بود کاهش پیدا کند. پس بنابراین چالش اصلی طراحان رسیدن به هندسه و طرحی قابل اطمینان از نظر استحکام در نقاط حساس هندسه و همچنین فرایندهایی که بتواند موجب ساخت قالب به‌طور یک تکه شود می‌باشد. نمونه فریم‌های دوچرخه پلاستیک‌های تقویت‌شده با فیبر کربن سال ۱۹۹۲ فریمی یک تکه از جنس CFRP طراحی شد. امروزه می‌توان در مسابقات المپیک به‌طور گسترده مشاهده کرد که حتی چرخ‌های دوچرخه نیز به‌طور یک تکه و از جنس CFRP تولید می‌شوند. | ## جمع‌بندی | اولین بار این چرخ‌های یک تکه برای دوچرخه‌ها توسط Du Pont به کمک روش اجزا محدود (FEM) و آزمون‌های تونل باد طراحی گردید.