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May 22, 2023

カーボンファイバー

Il segreto della fibra di carbonio, il materiale più amato nel ciclismo.Dal carbonio

サイクリングで最も普及している素材であるカーボンファイバーの秘密。

約 20 年前にカーボンファイバーがパフォーマンス サイクリングの世界を本質的に引き継いで以来、自転車業界は、金属では作ることが不可能だった、より軽く、より硬く、より印象的なデザインを生み出し続けてきました。

しかし、カーボンファイバー製品は、金属製の製品に比べて、不明瞭で謎に満ちている場合もあります。 この素材について、あなたが知らないかもしれない 11 の事実を紹介します。

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そう見えるだけです。 確かに、自転車業界のカーボンファイバー製品のほとんどは中国、台湾、さらにはベトナムやインドネシアからもたらされています。 ただし、一部のカーボンファイバーのフレームや部品は、米国の自転車工場 (Allied、Guerrilla Gravity、Zipp、Enve、Argonaut など)、ポルトガル、チュニジア (Look)、イタリア (Sarto、Basso、Colnago の C68) で製造されています。

航空宇宙材料としての評判にもかかわらず、カーボンファイバーは実際には金属チューブと同じくらい小規模での加工が容易です。 イタリアのDedacciai社やユタ州のRock West社などの企業から入手可能な完成品チューブだけでなく、アメリカの小規模なショップや個人ビルダーでもカーボンを扱うことができます。 北米ハンドメイド バイク ショーに出展したクレイグ カルフィー、ニック クランプトン、マット アップルマンなどのビルダーは、ジャイアントのような大手ビルダーとほぼ同じ方法で、カーボン シートから独自のフレームを作成します。

【自転車のフレーム素材の違いを解説】

カーボンファイバー自体は通常、ポリアクリロニトリル（PAN）ファイバーと呼ばれる素材で作られています。 あまり一般的ではない前駆体はピッチと呼ばれます。 PAN 繊維は非常に高い温度で調理され、非炭素材料がすべて燃焼し、一連の非常に薄くて長い繊維が残ります。 加工を重ねるほど剛性が増します。

これは高度な工業プロセスであり、生の炭素繊維を製造できる企業は世界中でわずか数社だけです。 米国エネルギー省の報告書によると、2010 年の時点で、世界の炭素繊維供給量の 90% 以上は、東レ、帝人 (東邦テナックス)、三菱化学、Zoltek、Hexcel、Cytec のわずか 6 社から供給されています。 東レ、帝人、三菱は世界の炭素繊維生産量のほぼ3分の2を占めています。 Zoltek、Hexcel、Cytec は米国に本社を置き、世界の炭素繊維の 3 分の 1 弱を生産しています。

炭素繊維にはさまざまな形態があります。原糸またはシート繊維 (両方とも連続繊維)、およびシートまたは切断された非常に短い繊維の塊である短トウ繊維です。 チョップドファイバーはペダル本体などに使用されています。 シート スタイルはバイクのフレームで最も一般的で、その名前の通りです。カーボン ファイバーの連続シート (プライと呼ばれます) は、布のボルトのように見え、通常は同じ幅で、巨大なスプールに巻き付けられます。 自転車業界では生糸はあまり一般的ではありません。 生の糸を扱う技術力を持っているのは、Giant や Time のようなほんの一握りの自転車メーカーだけです。

私たちは「カーボンファイバー」と言っていますが、実際に意味するのは「カーボンファイバー複合材」であり、フレームの唯一の素材ではありません。 それは、カーボンファイバーの驚異的な剛性特性には代償が伴うためです。カーボンファイバー自体は非常に脆く、割れたりひび割れたりしやすいのです。 その機能を維持するために、成形前にエポキシ樹脂と呼ばれる接着剤のような材料に懸濁され、複合材料が形成されます。 自転車業界で使用されるカーボンファイバーのほとんどは、「プリプレグ」と呼ばれるこの形式で提供されます。

樹脂は 2 つの役割を果たします。 まず、カーボンはプライ内の個々の繊維と、硬化後の 2 つのプライの相互の配向の両方を保持します。 第二に、樹脂は重要な靭性と耐久性を追加します。 わずかに可塑性があり、衝突や岩の衝突などの鋭い衝撃を吸収するために衝撃を受けると変形し、繊維間に重大な亀裂が生じることはありません。

どの自転車会社も、フレーム設計に関する自社の文献を高弾性、さらには「超高弾性」などの流行語で自由に塩漬けにしています。 しかし、これらの条件は自転車業界が振り回すべきものではありません。 カーボンファイバーは、その剛性、引張弾性率、または荷重下で材料がどの程度変形するかによって評価されます。 カーボンファイバーについては、日本炭素繊維工業会（JCMA）によってその評価とそれぞれがカバーする剛性範囲が設定されています。

サイクリング業界で使用されるカーボンファイバーのほとんどは標準弾性率または中間弾性率です。 より高価なフレームでは、より高いグレードが有効になります。 しかし、それはあまりセクシーに聞こえないため、企業が自社のコピーにハイモッドと UHM を組み込む際に、曲線上で多少のグレーディングが行われることがよくあります。 一部の企業は、グレーディング システムの全面的な運用から離れ、FACT や Advanced Grade などの企業固有のマーケティング用語を使用した独自のカーボン グレーディング システムを作成するだけです。

優れたカーボンファイバーフレームには、さまざまな種類のカーボンファイバーがブレンドされており、それぞれが非常に特殊な目的のためにフレーム内のさまざまな場所で使用されます。 高弾性繊維は（加工のおかげで）高価なので、自転車会社はペダリングの力に抵抗して自転車を硬くするために、ダウンチューブ、ボトムブラケット、チェーンステーなどの重要な部分に比較的少量を賢明に使用しています。 しかし、それらは標準および中間の弾性率と高強度の繊維とともに金型に入れられ、優れたカーボンフレームが持つ耐久性、パフォーマンス、乗り心地を生み出します。

カーボンファイバーは 2 つの理由から優れた自転車素材です。 まず、これは私たちが知っている他のほとんどの素材よりも軽量で硬いです。 第二に、金属とは異なり、カーボンファイバーの剛性は細かく操作できます。 その剛性特性は一方向にのみ、つまり繊維自体の長軸に沿ってのみ適用されるため、炭素繊維複合材の配向方法や金型内に配置する方法に基づいて剛性を調整できます。 それを異方性といいます。 対照的に、金属は等方性であり、材料のどの軸に沿っても同じ強度と剛性特性を示します。

エンジニアは、カーボンのグレード、樹脂、カーボンファイバーの層の形状、サイズ、方向、さらには金型内の位置までを考慮した高度なソフトウェア プログラムを使用します。 このようにして、フレームは極度の軽さまたは剛性、あるいはその両方を実現するために最適化されますが、それらのプログラムとそれを実行するための大学院レベルの専門知識は高価です。 それと、最も大幅に調整されたデザインを実現するために必要な高弾性カーボンのコストが、最も優れたカーボンファイバーバイクをミッドラインのバイクよりもはるかに高価にしている原因です。

その古典的な、交差織りのカーボンファイバーの外観は、実際にはパフォーマンス上の特質ではありません。 織物層はある程度の剛性を追加しますが、その主な目的の 1 つは、フレームまたはパーツの構造特性のほとんどがその下の一方向繊維によるものであるため、へこみ、引っかき傷、へこみを許容するトップ シートを追加することです。

また、完璧な縫い目を作成するために金型に織られたシートの端を並べるには、かなりの専門知識が必要となるため、ビルダーの職人技を示す化粧層も提供されます。 しかし、自転車メーカーや部品メーカーは、織物の最上層をまったく省略し、一方向繊維だけを化粧肌として機能させるケースが増えています。

カスタム フレーム構築というとスチールやチタンを連想することが多いですが、カーボン フレーム、ホイール、ハンドルバー、またはカーボンファイバー シートで作られたその他の部品はすべて、フレームがクランプトンのような小規模ビルダーのカスタム モデルであっても、集中的な実践作業が必要です。ジャイアントまたはトレックの量産モデル。

カーボンの個々の層は、コンピューター制御の機械によってシートから切り取られることがよくありますが、生産全体で自動化されたプロセスはこれだけです。カーボンファイバー複合材のフレームまたは部品は、レイアップ スケジュールに従って正確に金型に組み立てる必要があります。まだ自動化されていないプロセス。 小規模な施設では、1 人でフレーム全体を組み立てることもあります。 より大きなものでは、作業者はボトムブラケット領域などのフレームの特定部分のレイアップを作成し、その部品を他の作業者に渡してチューブの周りにレイアップし、硬化のために最終的な金型に配置します。

硬化後のプロセス（フレームを型から取り出し、洗浄し、塗装する）にも細心の注意が必要です。 専門の作業者がフレームやパーツに、カーボンのしわや、層が滑らかに圧縮されていない箇所など、故障の原因となる問題がないか検査します。

カーボンファイバーのフレームや部品が一度損傷すると、もうダメだというのはよくある誤解です。 ただし、スチールやチタンのフレームと同様に、カーボンファイバーのフレームも修理できる場合があります。 プロセスはそれほど変わりません。損傷した部分が切り取られ、硬化、研磨、それに合わせて塗装された新しい材料で橋渡しされます。 最も専門的なカーボン修理では、影響を受けた部分が見えないこともあります。

しかし、これは専門家の仕事です。 DIY カーボンファイバー修理キットもありますが、主にカヤックのパドルなどの製品を対象としています。 自転車のフレームは複雑な耐荷重構造であり、スプリントや高速コーナリングなどの力の応力に耐える必要があります。 カーボンファイバーフレームが損傷した場合、メーカーは社内で修理プロセスを行っている場合があります。または、Calfee Design などの信頼できるサードパーティに依頼することもできます。 ただし、いかなる場合でも、自分で修理しようとしないでください。

カーボンファイバーの台頭により、独特のフレームスタイルが爆発的に増加しました。 フレームのシルエットだけでピナレロかスペシャライズドかを識別することが可能です。 しかし、その独特の工業デザインにより、フレームは特に偽造者によるコピーを受けやすくなります。

完成したフレームの実際のバージョン (または製品の詳細な写真) から型を作成するのは比較的簡単です。 ただし、材料、レイアップ、施工方法はまったく異なる場合があります。 偽造者の多くは高度な製造能力を欠いており、安価な充填材を使用して本物の外観を模倣して偽造自転車を製造します。 スペシャライズドの元テストラボ所長サンティアゴ・モラレス氏は、模倣品について「それは決して人工的に作られた製品ではない。同じように見えるようにペイントされたキャンバスのようなものだ」と述べた。

Joe Lindsey は長年フリーランスのジャーナリストとして活動しており、スポーツとアウトドア、健康とフィットネス、科学と技術、特にベン図の 3 つの要素が重なる部分について執筆しています。

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