環(huán)保還是賺錢(qián) 碳架的替代制造方法會(huì)革新嗎？
如今，碳纖維是許多自行車(chē)的理想材料，同時(shí)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(kāi)始在碳纖維車(chē)架生產(chǎn)方面開(kāi)辟新天地。這可以使未來(lái)的碳纖維車(chē)架在每個(gè)方面都變得更好，但此過(guò)程中存在一些障礙。
現(xiàn)在，幾乎每個(gè)騎行愛(ài)好者都擁有一輛山地車(chē)。一旦被大眾接受，山地車(chē)很快就被證明具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，這反過(guò)來(lái)又推動(dòng)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(chē)的核心：車(chē)架。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它是如何制作的。如果你現(xiàn)在看到一輛自行車(chē)，問(wèn)它是碳架嗎？人們可能會(huì)懷疑你是否一直生活在過(guò)去。如今幾乎所有現(xiàn)代自行車(chē)部件上都有碳部件。當(dāng)然，還有一系列其他材料可以與黑色纖維競(jìng)爭(zhēng)，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(chē)制造的永久固定材料，黑色纖維正在進(jìn)行許多技術(shù)創(chuàng)新，因?yàn)橹圃焐痰慕?jīng)濟(jì)和環(huán)境目標(biāo)已經(jīng)改變。目前，未來(lái)自行車(chē)的碳幾乎總是來(lái)自亞洲某處的烤箱，但它可能很快就會(huì)由歐洲的機(jī)械臂產(chǎn)生?；蛘撸诔蔀槟愕纳降剀?chē)車(chē)架之前，它甚至可能經(jīng)過(guò)多次回收過(guò)程。
山地車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的過(guò)去和現(xiàn)在
早期的自行車(chē)車(chē)架通常由鋼制成，它們由直鋼管通過(guò)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(fèi)舍爾 （Gary Fisher）和伙伴首次將自行車(chē)改裝為越野車(chē)使用時(shí)，它們也是基于鋼架打造的。80年代，第一批鋁制和碳纖維車(chē)架投入生產(chǎn)，用于公路和山地自行車(chē)。鋁制車(chē)架起初也有直管，只有通過(guò)液壓成型和數(shù)控加工，彎曲的管子形狀、可變的壁厚和復(fù)雜的連接件（如車(chē)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(shù)來(lái)制造高性能的鋁制自行車(chē)車(chē)架。
作為一種全新的材料，碳纖維車(chē)架結(jié)構(gòu)在獲得任何成功之前經(jīng)歷了幾個(gè)古怪的概念。第一輛碳纖維山地車(chē)路特斯SPORT看起來(lái)像一個(gè)巨大的回旋鏢，它與以前經(jīng)典的菱形框架形狀沒(méi)有任何共同之處。在公路領(lǐng)域，情況就不同了：意大利品牌Colnago在1994年大獲成功，當(dāng)時(shí)他們將直碳管粘合到碳纖維凸耳上，保留了C40公路自行車(chē)的菱形形狀。從那時(shí)起，由于許多技術(shù)創(chuàng)新，碳纖維已經(jīng)發(fā)展成為一種久經(jīng)考驗(yàn)且經(jīng)常令人垂涎的山地自行車(chē)車(chē)架材料。
如今，我們生產(chǎn)的大多數(shù)自行車(chē)車(chē)架都采用硬殼式結(jié)構(gòu)。為此，碳纖維板，即所謂的預(yù)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(guò)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(chē)架。
由于硬殼式工藝中復(fù)雜的鋪層，現(xiàn)代碳纖維車(chē)架和其他碳纖維部件可以提供多種性能，并且在處理得當(dāng)?shù)那闆r下可以使用很長(zhǎng)時(shí)間。從超輕量級(jí)到順應(yīng)性、減振、堅(jiān)固，只要愿意為此付費(fèi)，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(dòng)，這很昂貴。此外，硬殼式設(shè)計(jì)需要非常昂貴的工具。每個(gè)部件都需要自己的模具，該模具由實(shí)心鋁塊加工而成，每個(gè)模具的成本都可能與中檔汽車(chē)一樣多。這項(xiàng)投資必須得到回報(bào)，而且要迅速完成。
想制作一些原型？新款的車(chē)架應(yīng)該有更陡峭的座管角度嗎？那你就需要一個(gè)全新的模具了！這對(duì)制造商來(lái)說(shuō)會(huì)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(shí)才能證明是合理的。即便如此，該過(guò)程也是非常耗能的，并且會(huì)污染環(huán)境。碳的生產(chǎn)每生產(chǎn)一公斤材料會(huì)排放約30公斤的二氧化碳，10%至30%的碳會(huì)變成廢物，僅在德國(guó)，每年就產(chǎn)生870噸碳廢物。由于目前還沒(méi)有有效的碳回收解決方案，黑色纖維目前堆積在危險(xiǎn)廢物的垃圾場(chǎng)上。因此，有很多充分的理由質(zhì)疑碳纖維車(chē)架的生產(chǎn)方法——甚至可能從頭開(kāi)始重新發(fā)明它！
未來(lái)的碳纖維山地車(chē)——綠色還是“金色”？
越來(lái)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(guò)制造商通過(guò)改變生產(chǎn)技術(shù)所追求的各個(gè)目標(biāo)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(chē)的精益生產(chǎn)
讓我們從一個(gè)極端開(kāi)始：速降賽車(chē)。自2019年以來(lái)，Rachel、Gee和Dan Atherton三兄妹一直在制造以他們姓氏命名的自行車(chē)，他們的車(chē)架使用碳纖維，但不是經(jīng)典的硬殼式結(jié)構(gòu)，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(chē)一樣？是的，沒(méi)錯(cuò)。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(chē)完全不同。別擔(dān)心，Atherton Bikes的制造工藝已在航空和一級(jí)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(fèi)大量時(shí)間和金錢(qián)，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(gòu)建每個(gè)車(chē)架。
但Atherton Bikes也出于純粹的賽車(chē)性能原因而采用這種方法進(jìn)行生產(chǎn)。直管和圓管可能看起來(lái)很簡(jiǎn)陋，但它們的壁厚會(huì)根據(jù)在車(chē)架上的各自位置進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)3D打印鈦制凸耳時(shí)，Atherton Bikes還看到了所需材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)始終保持幾何形狀的靈活性。凸耳的設(shè)計(jì)和角度可以通過(guò)3D打印機(jī)以數(shù)字方式改變。碳管根據(jù)需要切割成一定長(zhǎng)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(shí)也減少了材料浪費(fèi)。如有必要，可以很容易地修復(fù)筆直、均勻的碳管中的缺陷，這在具有復(fù)雜和脆弱幾何形狀的硬殼式車(chē)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(shè)計(jì)，比如Pivot 和Specialized。
來(lái)自山地車(chē)行業(yè)第三方供應(yīng)商的綠色理念
誠(chéng)然，一些職業(yè)速降車(chē)隊(duì)并不能準(zhǔn)確反映整個(gè)山地車(chē)行業(yè)。為了確定未來(lái)碳纖維車(chē)架生產(chǎn)的總體方向，更有趣的是研究不僅針對(duì)一小群賽車(chē)手，而且針對(duì)像我們這樣的普通人的方法。生產(chǎn)車(chē)架的問(wèn)題從來(lái)都不是自行車(chē)品牌自己保留的。遠(yuǎn)東供應(yīng)商提供的專業(yè)知識(shí)、機(jī)器和工藝是大多數(shù)自行車(chē)公司在詢問(wèn)技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)時(shí)要考慮的重要因素。目前，自行車(chē)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(lái)的碳生產(chǎn)中擁有發(fā)言權(quán)。
山地車(chē)車(chē)架碳復(fù)合材料中的生態(tài)纖維
SCALE是來(lái)自法國(guó)的第三方供應(yīng)商，本身并不直接參與自行車(chē)生產(chǎn)。法國(guó)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(guān)系。在此過(guò)程中，他們繼續(xù)使用久經(jīng)考驗(yàn)且值得信賴的單殼式結(jié)構(gòu)。然而，根據(jù)功能要求，高達(dá)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(méi)有任何妥協(xié)，相反，其材料的高扭轉(zhuǎn)剛性，在視覺(jué)上讓人聯(lián)想到淺色動(dòng)物毛發(fā)，如果實(shí)施得當(dāng)，實(shí)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(lái)為部件提供足夠的抗拉強(qiáng)度，因?yàn)樗鼈兊纳鷳B(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(gè)過(guò)程仍然需要在環(huán)氧樹(shù)脂中固化?？傮w而言，根據(jù)SCALE的說(shuō)法，他們的技術(shù)可以減少40%的二氧化碳排放，因?yàn)樯鷳B(tài)纖維是以氣候友好的方式生產(chǎn)的。這家法國(guó)公司目前正在與幾個(gè)自行車(chē)品牌進(jìn)行談判，希望利用他們的專業(yè)知識(shí)制造更環(huán)保的碳纖維山地自行車(chē)。
熱固性碳是一種單向生產(chǎn)工藝。加工后的纖維，無(wú)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(shù)脂分開(kāi)。目前在我們的自行車(chē)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(jié)束時(shí)，它們只不過(guò)是危險(xiǎn)廢物。另一方面，熱塑性碳也由碳纖維組成，但這些碳纖維沒(méi)有浸泡在環(huán)氧樹(shù)脂中，而是使用了一種替代粘合劑，加熱時(shí)可以再次液化。因此，熱塑性碳中的纖維可以通過(guò)加熱組件來(lái)提取，理論上可以重復(fù)使用它們。
Fibertech Bike Technology（Fi.Bi.TEC）采取了不同的方法。這家德國(guó)公司扎根于汽車(chē)行業(yè)，采用一種已經(jīng)成為汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的方法制造自行車(chē)車(chē)架。它們使用熱塑性塑料和碳，但不需要碳預(yù)浸料、鋪設(shè)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(guò)在關(guān)鍵區(qū)域添加鋼筋，他們可以高精度地對(duì)車(chē)架的屬性進(jìn)行建模。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是100%減少生產(chǎn)浪費(fèi)、汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(gè)新車(chē)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(lái)的碳纖維車(chē)架？
我們已經(jīng)確定碳纖維車(chē)架的替代生產(chǎn)方法已經(jīng)存在，它們可以消除復(fù)雜的硬殼式模具、手動(dòng)鋪層和高壓釜中的能源密集型烘烤。它們也可以贏得獎(jiǎng)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(shí)，這也提供了切實(shí)的優(yōu)勢(shì)，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(shí)，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(shù)狀態(tài)下，它應(yīng)該被稱為降級(jí)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(chē)制造商FORGE+BOND提供了降級(jí)回收的一個(gè)具體例子。這個(gè)美國(guó)品牌使用熱塑性碳來(lái)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(shù)嘗試可能會(huì)在未來(lái)幾年為這些材料提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。由于新的合作和行業(yè)日益增長(zhǎng)的興趣，有缺陷的碳纖維車(chē)架實(shí)際上可能會(huì)在未來(lái)成為新的車(chē)架。
山地車(chē)車(chē)架制造商需要重新思考
替代碳纖維產(chǎn)品在大眾市場(chǎng)上的成功很大程度上取決于自行車(chē)品牌是否愿意參與替代工藝。材料專家已經(jīng)確定，碳纖車(chē)架的新型生產(chǎn)方法對(duì)制造商來(lái)說(shuō)在經(jīng)濟(jì)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(wú)法無(wú)縫集成到自行車(chē)制造商的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，我們不能簡(jiǎn)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(guò)程。此外，即使是車(chē)架的結(jié)構(gòu)也必須適應(yīng)新材料，以充分利用其性能。許多品牌的碳纖維車(chē)架在遠(yuǎn)東的大型工廠生產(chǎn)，與其他品牌共享生產(chǎn)能力。只要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手至少不對(duì)擺脫傳統(tǒng)的熱固性碳表現(xiàn)出興趣，推動(dòng)將整條生產(chǎn)線轉(zhuǎn)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(jìn)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(fù)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(jī)會(huì)，但轉(zhuǎn)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
