How I built a carbon bike frame at home (and a bamboo frame too) |
Как я сделал углепластиковую велораму дома (и бамбуковую раму) |
|
.
Step 1Few important things you need for building the carbon frame |
Шаг1 Несколько важных вещей необходимых для изготовления углепластиковой рамы |
| 1. Frame jig – it is used to hold all parts in their exact position. I have built the frame jig from scrap wooden rods and some lathed parts and connected with screws. You can also build e.g. adjustable aluminum jig, where you can make the frame geometry according your needs. As a template of a frame dimensions for construction of a jig, I have used my bike frame that I rode before. The completed jig was stiff enough and guaranteed the position and the alignment of the metal parts during the construction of the foam core.
2. Metal parts – they include an aluminum bottom bracket shell, head tube, short seat tube, cable stops, rear dropouts and a rear brake bosses. The used thin walled tubes and cable stops were made on a lathe, for the carbon frame I have purchased rear dropouts and brake bosses from the bike parts supplier. I have made them by water-jet cutting for the bamboo frame. I prefer to use 7075 Alloy for the metal parts. It is good to have all aluminum parts anodized, as then you do not need to wrap a light layer of fiberglass around the aluminum tubes and part of the rear dropouts as an insulation between the aluminum and the carbon against galvanic corrosion. 3. Foam core – I have used polystyrene foam to make the core of the carbon frame. But it is better to use extruded polystyrene, or polyurethane foam, which is more rigid. Later I have used the polyurethane foam which is normally used for insulation of the outer walls of buildings. 4. Materials for laminating – I have chosen a bi-directional woven carbon cloth (180 grams per square meter). I have used MGS’s L285 epoxy resin with hardener 285 for laminating. For the carbon frame I used about 3.8 sq.m of the fabric, for the bamboo frame about 2.0 sq.m. You can also use uni-directional carbon for the base layers and use the bi-directional carbon just for the outer layer. 5. Supplies – I used plastic kitchen foil for covering the workbench during the wetting out the carbon, latex gloves, a small digital scale for weighing of the exact volume of resin and hardener, cups for mixing, paint brushes for wetting out, lots of electrical tape, sand paper and a good respirator during sanding. 6. Patience – the more the better |
1. Держатель рамы — применяется для точного расположения всех деталей. Я изготовил держатель рамы из деревянных планок и скрепил их шурупами. Вы также можете сделать настраиваемую алюминиевый держатель рамы, в котором вы сможете настраивать геометрию рамы для своих параметров. Как образец для постройки держателя рамы я использовал раму от моего велосипеда. Держатель рамы обеспечивает точное и надежное крепление металлических частей в процессе изготовления основы рамы.
2.Металлические части — они включают алюминиевые рулевую колонку, короткую подседельную трубу, держатели тросиков, узлы крепления колес, держатели задних тормозов, которые я купил у поставщика велозапчастей. Я сделал некоторые из этих части для бамбуково-углепластиковой рамы на абразивно-водоотрезном станке. Я предпочитаю использовать алюминиевый сплав 7075 для металлических частей. Желательно анодировать все алюминиевые поверхности это позволит не защищать поверхности слоем стеклоткани для исключения гальванической коррозии между алюминием и кабоном.
3.Основа рам – я использовал полистирол для изготовления основы рамы, но лучше использовать экструдированный полистирол или полиуретан, который более прочен. Позднее я использовал полиуретан,который применяется для утепления стен домов.
4. Материал для рамы — я выбрал двунаправленную углеткань (180 грамм на метр квадратный). Я применял связующее MGS’s L285 с твердостью 285. На углепластиковую раму ушло около 3,8 на бамбуковую раму потрачено около 2 метра квадратных углеткани. Вы также можете применять однонаправленную углеткань для начальных слоев и двунаправленную углеткань для внешних слоев.
5. Комплектующие — я использовал кухонную пленку при пропитывании компаундом углеткани, латексные перчатки, небольшие весы для точного смешивания компаунда, чашка для смешивания, кисть для пропитки углеткани, много изоленты, шлифовальная шкурка и хороший респиратор.
6. Терпение – чем больше, тем лучше |
Step 2Making the core |
Шаг 2 Изготовление основы |
| After I have built the frame jig and all metal parts were secured in the jig, I began to make the frame core.
I had polystyrene foam rods of the necessary diameters, made simply by using hot wire foam cutter. The cross sections of the main rods was circular, the chain stay and the seat stay were elliptical. I have wrapped these rods with one light layer of fiberglass to increase their rigidity. In this picture you can see the aluminum parts in their exact position. The polystyrene top tube and down tube is already bonded with carved small pieces of polystyrene for the next sanding. In the front of the picture on the ground the chain stay was being prepared for sanding (to achieve proper shape) and bonding. |
После изготовления держателя рамы и закрепления комплектующих я приступил изготовлению основы рамы.
У меня были полистироловые стержни подходящего диаметра, которые просто сделать используя нагретую вольфрамовую нить. Область пересечения главных стержней представляет собой окружность, область цепи и седла — элиптические. Я укрепил эти места одним слоем стеклоткани для упрочнения конструкции. На фото алюминиевые части точно закрепленные в держателе рамы. Верхняя и нижняя трубы утолщены с помощью кусочков полистирола с последующим шлифованием. |
Step 3Making the core 2 |
Шаг 3 Изготовление основы 2 |
| After adding all of the polystyrene rods I have sanded all of the added small parts in the places of rods connection areas to achieve soft shapes. After that I have wrapped these junctions with one light layer of fiberglass. After the curing of the epoxy resin, I have softly sanded the whole surface.
After finishing the frame, you can melt the polystyrene out of the frame by using acetone, so you can save about 90 g of the weight. I didn’t do so, as I think the core helps to dampen the vibrations and shocks. |
После присоединения всех полистироловых стержней все места соединений были отшлифованы, затем укреплены одним слоем стеклоткани, после высыхания компаунда я осторожно отшлифовал всю поверхность основы рамы.
После окончания производства рамы вы можете растворить полистироловую основу рамы ацетоном при этом вы можете уменьшить вес рамы приблизительно на 90 грамм. Я этого не делал, так как считал,что основа рамы будет гасить вибрации и удары. |
Step 4Laminating |
Шаг 4 Укладка углеткани |
| I was a little bit afraid before I have added the first layer because of lack of experience. I only had theoretical and little practical knowledge of how to do it, but by following the instructions on how to mix the epoxy and how to wet out the carbon cloth it went okay. I have wetted out the pieces of carbon and I have added the first layer on the foam core. I have tried to cut as large pieces of carbon as possible. For each tube, I have used one big piece with overlapping about 1 cm.
While it was still wet, I have wrapped over the first layer of carbon tightly with electrical tape with sticky side up to provide compaction during curing. I could wrap tightly thanks to the aforementioned light layer of fiberglass, which has increased the rigidity of the foam core significantly. Before wrapping, I have perforated the tape with a pin over the whole surface. This squeezed out excess resin after wrapping. You can also use perforated heat-shrink tape for the compaction, or use vacuum bagging technique, but for me this was the easiest and sufficient method. According my rough measuremets, the ratio of carbon/epoxy was about 50:50. This image shows the excess resin after wrapping. |
Я немного боялся перед наложением первого слоя в связи с отсутствием практического опыта. У меня были теоретические и не большие практические знания, как это делать, но следуя инструкциям по смешиванию и пропитыванию углеткани все прошло хорошо. Я пропитал кусок углеткани и наложил на основу рамы. Я старался отрезать куски углеткани по возможности большими. Для каждой трубы я использовал один большой кусок углеткани с перехлестом около 1 см.
После наложения я обернул первый слой углеткани для уплотнения осторожно изолентой липким слоем наружу. Перед обертыванием я перфорировал изоленту по всей площади, что позволило выйти излишкам компаунда.
Вы также можете использовать термоусадочную пленку для сжатия слоев или вакуумную технику. Согласно моим измерениям соотношение углеткань/компаунд около 50 на 50.
На фото выступивший компаунд после обматывания. |
Step 5Laminating 2 |
Шаг 5 Укладка углеткани 2 |
| In this picture, you can see the frame after the first layer was added and the electrical tape was removed. It began to look like a real bike frame. Approximately four-five hours after first layer had been done, I removed electrical tape lightly and I added another layer, and again, I wrapped it over with the tape. I have tried to make as many layers during the day as possible, because after it fully cured overnight I had to softly sand the surface for the next layer. Before the last layer I have bonded the rear brake bosses and have reinforced them with few carbon layers. | На фото рама с первым слоем углеткани и снятой изолентой начинает напоминать настоящую велораму. Приблизительно после 4-5 часов после наложения первого слоя я снял осторожно изоленту и наложил следующий слой и еще один. Я замотал их изолентой. Я старался наложить как можно больше слоев за день, потому что после ночного затвердевания компаунда необходимо шлифовать поверхность перед наложением следующего слоя. Перед наложением последнего слоя углеткани я установил крепление задних тормозов и укрепил их несколькими слоями углеткани. |
Step 6Laminating 3 |
Шаг 6 Укладка углеткани 3 |
| During the construction, I have combined the layers diagonally and cross-wise. On the top and down tubes and seat tube, there are 9 layers; on the chain stay and seat stay there are 11 layers. The high stress areas were covered with additional 6-8 layers. I have added two more layers as I initially planned just for the safety, but if I built this frame again, probably I would not add them again. I have sanded the surface carefully before the last layer.
This is the picture after the last layer of carbon. Finally I have let the frame fully cure for a few days at about 50°C at the heater. |
В конструкции рамы я комбинировал диагональные и прямые слои. На верхнюю, нижнюю и подседельную трубу наложено 9 слоев, в цепном и подседельном узле по 11 слоев. В высоко нагруженных областях дополнительно положены 6-8 слоев. Я добавил два слоя, как изначально планировал для надежности, но если бы снова делал раму, я не добавлял бы эти два слоя. Я отшлифовал поверхность рамы перед наложением последнего слоя.
На фото рама со всеми слоями углеткани. Рама выдерживалась несколько дней при температуре 50° С |
Step 7Finishing |
Шаг 7 Шлифование |
| After removal of the fully cured frame from the jig, I have cut the excess carbon and I have sanded the entire surface. Also I have bonded the cable stops and then I have sandblasted all the visible aluminum parts. I have added a few layers of wet epoxy, with sanding between each layer. The sanding is the worst part of building the frame, don’t do it in your living room… The whole surface was polishing for a better look. But it is better to spray some quality clear varnish over the surface. | После снятия рамы из держателя я отрезал лишнюю углеткань и отшлифовал всю поверхность. Также я присоединил держатели тросов и отшлифовал видимые алюминиевые части и покрыл их несколькими слоями компаунда с шлифованием между каждым слоем. Шлифование самый неприятный момент в изготовлении рамы, не делайте этого в своей квартире… Вся поверхность была отполирована для придания блеска. |
Step 8Finished bike |
Шаг 8 Собранный велосипед |
| This is the finished bike with my homemade carbon frame. | На фото велосипед собранный на сделанной мной карбоновой раме. |
Step 9Building the bamboo/carbon frame |
Шаг 9 Изготовление бабуково-углепластиковой раме |
| I have seen many amazing constructions made of bamboo and I have always wondered why such light, strong, stiff and elastic material is not widespread used for building of bicycle frames, although such frames were built already hundred years ago. Since I have finished my carbon frame, I was thinking about using bamboo for my second frame. Later on, I have found an article describing a bamboo frame Craig Calfee built for himself a few years ago. At that moment I was fully determined to build it too.
One year later I have built the bamboo frame according the same method as I built the carbon frame. This was a little bit easier, as I did not need to laminate the tubes. |
Я видел много удивительных конструкций
из бамбука и всегда удивлялся почему такой легкий, прочный и эластичный материал не используется в изготовлении велорам. После изготовления карбоновой рамы, я стал раздумывать об использовании бамбука в моей второй раме. Позже я нашел описание бамбуковой рамы Крега Калфи, которую он сделал несколько лет назад. В этот момент я решил тоже сделать бамбуковую раму.
Годом позже я сделал бамбуковую раму тем же методом, которым я сделал карбоновую рамы. Это было не много легче, не нужно было изготавливать трубки. |
Step 10Building the bamboo/carbon frame 2 |
Шаг 10 Изготовление бамбуково-углепластиковой рамы 2 |
| The most difficult part of building the frame was to find quality bamboo rods. It took me much more time than the building itself. I have visited several dealers in near surroundings and I have tried to find appropriate rods of the necessary diameters among huge amount of bamboo. Finally I have found few rods I wanted, but frankly speaking, next time I will build such a frame, I’ll rather grow my own bamboo, or fly to Asia for it. The rods for the top tube, down tube and seat tube are some Chinese species of bamboo; I was not very satisfied with the quality of the surface, which was rather scratched and there were also a few woodworm holes in it. The rods I have selected for the seat and chain stay were some other species from Malaysia. Unfortunately the seller was not able to tell me what species it exactly was. During breaking tests of these bamboo rods I found out that when I filled the inside with the polyurethane foam (which added only few gram of weight), the rigidity increased mainly of the rods for the seat and chain stay, which are the most critical parts of this frame. | Наиболее трудной частью изготовления рамы был поиск бамбука, который отнял намного больше времени, чем изготовление рамы. Я объездил ближайших поставщиков бамбука в поисках стержней для рамы подходящего диаметра среди огромного количества бамбука. Все же мне удалось найти несколько подходящих стержней, но откровенно говоря в следующий раз когда буду делать бамбуковую раму буду сам его выращивать или полечу за нем в Азию. Стержни для верхней, нижней и подседельной трубы из Китая, я не очень доволен качеством их поверхности, она поцарапана и в нескольких местах повреждены жучками. Остальные трубы для рамы из Малайзии. К сожалению продавец ничего не мог сказать о качестве бамбука. При испытаниях на прочность выяснилось, что при заполнении бамбука полиуретановой пеной (что увеличивает их вес всего на несколько грамм) увеличивается прочность труб, наиболее нагруженные узлы каретки, которые и были укреплены. |
Step 11Building the bamboo/carbon frame 3 |
Шаг 11 Изготовление бамбуково-карбоновой рамы 3 |
| The frame building itself was quite quick. I have used the frame jig I made for my previous carbon frame. Bamboo rods were fitted in miter joints together with aluminum tubes (bottom bracket shell, head and short seat tube) and bonded with epoxy. The junctions in the rear part of the frame I have made from polyurethane foam and the following laminating process of the joints with epoxy resin and woven carbon cloth was practically the same as for the carbon frame. The bamboo rods, in the place of connection with the carbon were machined, so there were small shark teeth which guaranteed that the bamboo will not loose. Also it is important to have well dried bamboo, so it will shrink later minimally. | Я быстро изготовил раму т. к. использовал держатель рамы, который сделал для предыдущей карбоновой рамы. Бамбуковые трубки соединены с алюминиевыми эпоксидной смолой. Заднюю часть рамы я сделал из полиуретана тем же способом, которым делал карбоновую раму.
Бамбуковым трубкам в местах соединения с карбоном была придана дополнительная шероховатость, что должно гарантировать прочность соединения. Важно хорошо высушить бамбук это исключит коробление рамы в дальнейшем. |
Step 12Building the bamboo/carbon frame 4 |
Шаг 12 Изготовление бамбуково-карбоновой рамы 4 |
| When I have built this bamboo frame, I was interested in how would it differ from my carbon frame. Above all I have expected that thanks to the unique properties of bamboo, as a natural composite, the frame would be more able to absorb road shocks and the ride would be more comfortable.
After three years, I can write that the bamboo frame fulfilled all my expectations. The frame is excellent and still okay. Compared with the carbon frame it really does dampen vibrations better and the ride is more comfortable. The connections of the bamboo rods with the carbon joints are still rigid without any problems. I know I can expect the bamboo to shrink or split sooner or later, but I hope that thanks to the used method of securing the mutual connection between the bamboo rods and carbon joints it should not loosen in the case of shrinking and the splitting of bamboo can be easily repaired. I love riding this bike! |
Когда я делал эту раму мне было интересно чем она будет отличаться от моей карбоновой рамы. Я думаю, что благодаря своим свойствам рама из бамбука должна лучше поглощать удары и катание должно быть более комфортабельным.
По прошествии трех лет я могу написать, бамбуковая рама полностью оправдала все мои ожидания. Рама отличная и с ней все в порядке. В сравнении с карбоновой бамбуковая рама лучше гасит вибрации и катание боле комфортабельно.
Места соединения бамбука с карбоном остались такими же прочными, как при изготовлении. Я могу предположить, что рано или поздно возникнут вопросы, но я надеюсь, что благодаря надежному соединению бамбука с карбоном все будет в порядке. В случае поломки ее можно будет легко починить
Я люблю кататься на этом велосипеде! |
Вот еще несколько изделий Brаno Mares из Братиславы, Словакия
Статью перевёл и прислал Андрей Петров из Киева
Очень полезная статья. Вот только что меня смущает так это то, что мы точно не знаем в каком месте сколько слоёв ткани должно быть. А ведь от этого зависит прочность. Кроме того прочность ещё зависит от качества исполнения, точности пропорций смолы и отвердителя, условий отверждения, типа самой смолы…
Ещё, как мне показалось, маловато внимания уделено описанию мест, где пластик соприкасается с металлическими частями.
В общем эту статью нужно дополнять конкретными примерами с использованием конкретных смол на конкретных формах рам. Безусловно, это отличный путь для уменьшения веса наших машин, но нужно помнить, что поломка рамы может окончиться травмами, а в случае потери управления на дороге есть риск стать причиной ДТП и вообще погибнуть. Так что нужно подходить к вопросу запаса прочности очень серьезно. Но как узнать, какой у вас запас прочности, если он зависит от столь многих факторов? Вот это действительно открытый вопрос. Кстати говоря, именно это и сдерживает меня от начала опытов с углепластиком. Нужно провести не один тест, сломать не одну раму, прежде чем удастся выяснить ответы на открытый вопрос. Но заниматься этим, безусловно, стоит!
В будущем мы этим обязательно займемся !