バイクフレーム素材の説明: カーボンファイバー

カーボンファイバーは、自転車のフレーム素材の選択肢として定着しているようです。

しかし、常にそうであったわけではありません。 80 年代と 90 年代には、鉄鋼とアルミニウムが業界を支配していました。チタンはカスタムフレームやバイクの槍の先端に使用されていました。 カーボンファイバー製の自転車フレームは普及し始めていましたが、その素材はまだほとんどの人にとって入手可能ではありませんでした。

過去 30 年以上の自転車フレーム開発の中で、価格は興味深い変化を遂げてきました。 かつては最も希少だったフレーム素材であるカーボンファイバーは、現在では一般的になっています。 まだ高価ではありますが、価格は下がりました。

スチールはかつては手頃な価格でしたが、今でも手頃な価格です。 しかし現在、カスタムビルダーは、かつては最も一般的だったフレーム素材に対してプレミアム価格を設定しています。 チタンとアルミニウムは、フレーム素材の価格階層において相対的な地位を保っているようです。

これは、カーボンファイバーバイクフレームの使用方法と理由の内訳です。

カーボンファイバーは自転車のフレームを作るのに最適な素材です。 カーボンバイクフレームの強度対重量比は他に類を見ないものであり、ブランドは他の特性を「プログラム」することができます。 メーカーは、繊維のサイズと方向、織りパターン (ある場合)、層の数、ピースの形状、および結合剤を変更できます。

カーボンファイバーフレームはそのサウンドから始まります。 人間の髪の毛の10～20分の1の細いフィラメント。 カーボンファブリックのサプライヤーは、フィラメントをグループ化して「トウ」、つまりリボンを形成します。 サイクリング業界では一般に、トウあたりのフィラメントの数でカーボンを表します。 「3K」カーボンはトウごとに 3,000 個のフィラメントを持っています。

サプライヤーは炭素繊維トウを結合剤（通常は 2 液性エポキシ樹脂）と組み合わせます。 この段階では、樹脂とトウは業界で炭素繊維強化ポリマー (CFRP) と呼ばれる複合材料になります。

カーボンフィラメントだけでも驚くほど軽量です。 対照的に、エポキシ樹脂は重いです。 そのためメーカーは、複合材料内の樹脂の量と空隙を制限するためにあらゆる手を尽くしています。

炭素繊維の製造業者が従うフィラメントと樹脂の「レシピ」は、炭素繊維の「弾性率」に影響を与えます。 この用語は、カーボンファイバー自転車のフレームやホイールのマーケティング資料によく登場します。 弾性率は CFRP の剛性を指します。

剛性が高いほど良いように思えるかもしれませんが、カーボン繊維の強度が低いことも意味します。 したがって、自転車の多くの側面と同様に、これも妥協です。 また、弾性率の高いカーボンファイバーは製造コストが高くなります。

カーボンファイバーファブリックは通常、「プリプレグ」ロールでフレームメーカーに出荷されます。 カーボンファイバーのサプライヤーはファブリックにエポキシ樹脂を含浸させるため、フレームメーカーはそのステップを行う必要がありません。 材料はすぐに切断して型に入れることができます。

少なくとも 1 つのブランドが、ワックス型の上に掛けられたドライカーボンファイバー生地に樹脂を塗布しています。 その他のプロセス、たとえばカーボンファイバー自転車フレーム印刷、発展しています。

現在、ほとんどのカーボンファイバー自転車とコンポーネントは、結合剤としてエポキシ樹脂を使用しています。 いくつかの中小企業は長鎖ポリマーを結合剤として採用しています。 これにより、最終製品に異なる屈曲特性が与えられます。 また、エポキシ樹脂を使用した炭素繊維製品はリサイクル可能ではありませんが、リサイクル可能です。

フレームメーカーは、カーボンファイバー片の独自の「レシピ」を作成し、自社の金型に配置し、独自のプロセスで「焼き付け」ます。 多くの変数のそれぞれによって、自転車フレームの横方向の剛性、垂直方向のコンプライアンス、耐衝撃性、および設計チームが目標とするその他の物理的特性が決まります。

作業員はカーボンファイバーのプリプレグ生地をテーブルの上に平らに置き、そこからフレームを構成する何百もの個々の部品を切り出します。 これらの部品は、エンジニアが指定した順序と繊維方向で、通常は金属製の金型に手作業で置かれます。

カーボンファイバーフレームのブランドは、望ましい特性を生み出すために必要なオーバーラップの量と層の数を指示します。 このレイアップ プロセスの「取扱説明書」はレイアップ スケジュールです。このスケジュールは、さまざまな荷重に対応するためにフレーム サイズごとに異なります。