Καταστροφικές καταπονήσεις οχημάτων: η περίπτωση των ανθρακονημάτινων σκελετών αγωνιστικών ποδηλάτων δρόμου

Abstract

Time flows like a river and the world changes! So do humanity’s needs and priorities. New technologies, new inventions and research is conducted for the creation of new products and materials, in order to satisfy our current and future needs. One of these materials is carbon fibers, whose use and applications will be part of this thesis. In recent years, carbon fibers have been widely used for the construction of components which are not limited to the standard sectors for them: Defense Equipment, Aerospace Industry and Motor Sports. They have become common in everyday use products, in all types of vehicles, as well as bicycles, especially Road Racing Bikes. From our research it has emerged that although the carbon fiber frames are widely used, they fail easily if they receive a load that is slightly different from what is prescribed by the safety standards. Despite the careful design and high quality of their construction, there are failures, resulting both from falls and from the fact that the frames designed and built with the rules of the "Aircraft Engineer" who follows the directions of the Marketing Department, they are very rigid and generally fragile. On the other hand, driving in unpredictable situations, for example potholes, traffic and bad weather conditions, worsens the problem of failures. Regarding their price, they have a very high cost because they use design and manufacturing methods from the Aviation industry, where specialized engineers and expensive software are required. Also in the Manufacturing part, very expensive equipment is used (autoclaves or presses with heated plates as well as special molds are required for production).These failures increase the cost of ownership for their users, since their replacement is both costly and time-consuming because constant development and marketing make it difficult to find spare parts. In this thesis, a new design and manufacturing method for road bicycle frames is proposed and developed in order to reduce the cost and the number of broken frames. Specifically, the design and analysis method that was developed is the following: After thinking about the structure we want to make, we design and study its parts independently in torsional and bending stiffness as well as in aerodynamic behavior if required and then we combine them and conduct the least possible tests to them. The study of the laminate is taking place in the final design stage where we regulate the strength and behavior of our construction through it. In this way we save the costly process of redesigning entire models and the time-consuming changes of their sub cases that would be required if we designed and studied in each scenario an entire model. In addition, this method allows us to create a database for future use and easy development of new sub-variants of the construction. In the bike frame in our case, we studied various possible shapes in each tube in both aerodynamic behavior and stiffness and chose a shape for each tube. Then we combined them and created the final model which we studied as an overall model for the final verification. This process not only saved us a lot of time in the design part, but also gave us the possibility to make very easy sub-variations, such as different sizes. The advantages include the easy creation of new models with different characteristics since we have a database ready with qualitative and quantitative aerodynamic and stiffness information. Regarding the manufacturing method that was developed, the process is the following: We create the lay-up that we have obtained from our study for any component that we want to manufacture, choosing from the beginning the type of overlap that we will follow. Then for curing, instead of an autoclave with high pressure and temperature, we use a simple oven or heated blankets, and we create negative pressure with a vacuum pump from the atmosphere. During the cure and while the matrix that has been used is in a liquid state, we apply vibrations, for example with a pneumatic vibrator, to the mold near its resonance point. We use a long curing cycle by choosing the lowest temperature that the matrix allows us to increase the time during which its viscosity is low. This drives the bubbles through the layers of the composite. If required, we also do a post cure to raise the Tg or to increase the resistance to environmental conditions. The result is a part with porosity, similar to what we would have if we had done the process in an autoclave. The final piece, however, is less brittle and has significantly better resistance to impacts, while also having an equivalent or better lifespan. In the bicycle frame in our case, the result, in relation to the frame made in an autoclave, was the significantly increased shock absorption and the non-failure in several cases where the frame from the autoclave failed e.g. from debris thrown by the tires and from crashes. In addition, the fact that there is no need for an autoclave significantly reduces the cost of investment and use of specialized equipment and thus of the final product. This approach can be exploited by many sectors, apart from the case of bicycle frames, in order to reduce the design and production costs of components made from Composite materials. Indicatively some of them are: The Sports Equipment Industry of all kinds, the Automotive Industry, Medicine, Shipping, the Aviation Industry, Construction, Biocomposites Applications and Repairs of Composite Materials. If this method is applied on a large scale, it can make composite materials more accessible, resulting in them being introduced into many areas of our life, improving it. I want to believe that the scientific community and the industry will further develop it for the benefit of everyone!

Τα Χρόνια Περνάνε, οι Εποχές Αλλάζουν! Και μαζί αλλάζουν οι προτεραιότητες και οι ανάγκες της ανθρωπότητας. Καινούριες τεχνολογίες , νέες εφευρέσεις και έρευνες, για δημιουργίες νέων προϊόντων και υλικών, τρέχουν για να προλάβουν τις σημερινές αλλά και μελλοντικές μας ανάγκες. Ένα από αυτά τα υλικά είναι και τα ανθρακονήματα, των οποίων η χρήση και εφαρμογή θα απασχολήσει αυτή την διατριβή. Τα τελευταία χρόνια γίνεται ευρεία χρήση των ανθρακονημάτων για κατασκευή και χρήση εξαρτημάτων τα οποία δεν περιορίζονται μόνο στους παραδoσιακούς για αυτά τομείς: Αμυντικοί Εξοπλισμοί, Αεροδιαστημική Βιομηχανία, Μηχανοκίνητος Αθλητισμός. Έχει γίνει ευρεία εξάπλωση σε προϊόντα καθημερινής χρήσης, σε όλους τους τύπους οχημάτων, καθώς και των ποδηλάτων, ειδικά, των Αγωνιστικών Ποδηλάτων Δρόμου. Από την έρευνά μας έχει προκύψει ότι παρόλη την εξάπλωση των ανθρακονημάτινων σκελετών, τα ποδήλατα αυτά σπάνε πολύ εύκολα αν δεχτούν φορτίο λίγο διαφορετικό από το προβλεπόμενο των προτύπων ασφαλείας.Γιατί αφενός παρά τον προσεκτικό σχεδιασμό και την υψηλή ποιότητα κατασκευής, υπάρχουν αστοχίες, που προκύπτουν, τόσο από πτώσεις, όσο και από το γεγονός ότι οι σκελετοί που σχεδιάζονται και κατασκευάζονται με τη λογική του «μηχανικού αεροσκαφών» ο οποίος ακολουθεί τις οδηγίες του τμήματος marketing, είναι πολύ άκαμπτοι και εν γένει ψαθυροί. Αφετέρου η οδική συμπεριφορά σε απρόβλεπτες καταστάσεις, πχ λακκούβες, κίνηση, καιρικές συνθήκες, χειροτερεύει το πρόβλημα των αστοχιών. Σε ότι αφορά την τιμή τους, έχουν πολύ υψηλό κόστος γιατί χρησιμοποιούν μεθόδους σχεδιασμού και κατασκευής από την Αεροπορική κυρίως βιομηχανία, όπου απαιτούνται εξειδικευμένοι μηχανικοί και πανάκριβα λογισμικά. Επίσης στο κατασκευαστικό κομμάτι, χρησιμοποιείται ακριβός εξοπλισμός (autoclave ή πρέσες με θερμαινόμενες πλάκες καθώς και ειδικά καλούπια που απαιτούνται για την παραγωγή). Oι αστοχίες αυτές αυξάνουν το τίμημα για τους χρήστες τους, αφού η αντικατάστασή τους είναι και κοστοβόρα και χρονοβόρα, δεδομένου ότι η συνεχής εξέλιξη και το marketing καθιστούν δύσκολη την εξεύρεση ανταλλακτικών. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής προτείνεται και αναπτύσσεται μια νέα μέθοδος σχεδιασμού και κατασκευής για τους σκελετούς ποδηλάτων δρόμου με σκοπό τη μείωση του κόστους και του αριθμού των σπασμένων σκελετών. Πιο συγκεκριμένα η μέθοδος σχεδιασμού και ανάλυσης η οποία αναπτύχθηκε είναι η ακόλουθη: Αφού σκεφτούμε την κατασκευή που θέλουμε να κάνουμε, σχεδιάζουμε και μελετάμε ανεξάρτητα τμήματά της σε στρεπτική και καμπτική δυσκαμψία καθώς και σε αεροδυναμική συμπεριφορά αν απαιτείται και μετά τα συνθέτουμε και κάνουμε ελάχιστες έως και καθόλου δοκιμές στο σύνολο. Ακολουθεί η μελέτη της διαστρωμάτωσης σε ένα τελικό σχέδιο όπου ρυθμίζουμε την αντοχή και τη συμπεριφορά της κατασκευής μας μέσω αυτής. Με αυτόν τον τρόπο γλυτώνουμε την κοστοβόρα διαδικασία σχεδιασμού ολόκληρων μοντέλων και τις χρονοβόρες αλλαγές των ενώσεών τους που θα απαιτούνταν στην περίπτωση που σχεδιάζαμε και μελετούσαμε σε κάθε σενάριο ολόκληρο μοντέλο. Επιπλέον αυτή η μέθοδος μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε και βάση δεδομένων για μελλοντική χρήση και εύκολη εξέλιξη νέων υποπαραλλαγών της κατασκευής. Στο σκελετό του ποδηλάτου στην περίπτωσή μας μελετήσαμε διάφορα πιθανά σχήματα σε κάθε σωλήνα τόσο σε αεροδυναμική όσο και σε δυσκαμψία και επιλέξαμε για κάθε σωλήνα ένα σχήμα. Μετά τα ενώσαμε και δημιουργήσαμε το τελικό μοντέλο το οποίο και μελετήσαμε ως συνολικό μοντέλο για διαστρωμάτωση. Η διαδικασία αυτή όχι μόνο μας κέρδισε πολύ χρόνο στο κομμάτι του σχεδιασμού αλλά μας έδωσε και τη δυνατότητα, να κάνουμε πολύ εύκολα υποπαραλλαγές πχ διαφορετικά μεγέθη. Στα πλεονεκτήματα περιλαμβάνεται η εύκολη δημιουργία νέων μοντέλων με διαφορετικά χαρακτηριστικά αφού έχουμε μια βάση δεδομένων έτοιμη με ποιοτικές και ποσοτικές πληροφορίες αεροδυναμικής και δυσκαμψίας.Στο κατασκευαστικό κομμάτι, η μέθοδος κατασκευής η οποία αναπτύχθηκε είναι η ακόλουθη: Κάνουμε τη διαστρωμάτωση που έχουμε πάρει από τη μελέτη μας για το όποιο εξάρτημα θέλουμε να κατασκευάσουμε, επιλέγοντας εξ αρχής τον τύπο overlap που θα ακολουθήσουμε. Μετά για το ψήσιμο, αντί για autoclave με υψηλή πίεση και θερμοκρασία χρησιμοποιούμε απλό κλίβανο ή θερμαινόμενες κουβέρτες, και δημιουργούμε υποπίεση με μια αντλία κενού από την ατμόσφαιρα. Κατά τη διάρκεια του ψησίματος και όσο η μήτρα η οποία έχει χρησιμοποιηθεί βρίσκεται σε ρευστή κατάσταση εφαρμόζουμε δονήσεις πχ με έναν πνευματικό δονητή στο καλούπι κοντά στο σημείο συντονισμού του. Κάνουμε αργό κύκλο ψησίματος επιλέγοντας τη χαμηλότερη θερμοκρασία που μας επιτρέπει η μήτρα ώστε να αυξηθεί ο χρόνος κατά τον οποίο το ιξώδες της είναι χαμηλό. Αυτό διώχνει τις φυσαλίδες μέσα από τις στρώσεις του σύνθετου υλικού. Αν απαιτείται κάνουμε και post cure για να ανεβάσουμε το Tg ή για να αυξήσουμε την αντοχή σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Το αποτέλεσμα είναι ένα εξάρτημα με πορώδες, αντίστοιχο αυτού που θα είχαμε, αν είχαμε κάνει τη διαδικασία σε autoclave. Το τελικό κομμάτι όμως είναι λιγότερο ψαθυρό και έχει σημαντικά καλύτερη αντοχή σε χτυπήματα ενώ παρουσιάζει και αντίστοιχη ή καλύτερη διάρκεια ζωής. Στο σκελετό του ποδηλάτου στην περίπτωσή μας, το αποτέλεσμα, σε σχέση με το σκελετό που κατασκευάστηκε σε autoclave ήταν, η σημαντικά αυξημένη απορροφητικότητα κραδασμών και η μη αστοχία σε αρκετές περιπτώσεις όπου ο σκελετός από το autoclave αστόχησε πχ από πέτρες που πέταξαν τα λάστιχα και από πτώσεις. Επιπλέον το γεγονός ότι δε χρειάζεται autoclave μειώνει σημαντικά το κόστος επένδυσης και χρήσης ειδικού εξοπλισμού άρα και του τελικού προϊόντος. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να αξιοποιηθεί από πολλούς τομείς, εκτός από την περίπτωση των σκελετών ποδηλάτων, με σκοπό τη μείωση του κόστους σχεδιασμού και παραγωγής των εξαρτημάτων από Σύνθετα Υλικά. Ενδεικτικά μερικοί από αυτούς είναι: Η Βιομηχανία Αθλητικού Εξοπλισμού πάσης φύσεως, η Αυτοκινητοβιομηχανία, η Ιατρική, η Ναυτιλία, η Αεροπορική Βιομηχανία, η Οικοδομή, οι Εφαρμογές Βiocomposites και οι Επισκευές Εξαρτημάτων από σύνθετα υλικά. Αν αυτή η μέθοδος εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα μπορεί να κάνει τα σύνθετα υλικά πιο προσβάσιμα με αποτέλεσμα να εισαχθούν σε πολλούς τομείς της ζωής μας βελτιώνοντάς την. Θέλω να πιστεύω ότι η επιστημονική κοινότητα και η βιομηχανία θα την εξελίξουν ακόμα περισσότερο προς όφελος όλης της οικουμένης!