摘要：随着复合材料的出现，自行车行业发生了显着的转变。这些材料（主要是碳纤维复合材料）彻底改变了自行车的设计和性能，提供了轻质、强度和刚度的独特组合。本文主要探讨复合材料在自行车行业的现状，研究它们的类型、应用、优点、缺点以及推动该领域创新的最新进展。

随着复合材料的出现，自行车行业发生了显着的转变。这些材料（主要是碳纤维复合材料）彻底改变了自行车的设计和性能，提供了轻质、强度和刚度的独特组合。本文主要探讨复合材料在自行车行业的现状，研究它们的类型、应用、优点、缺点以及推动该领域创新的最新进展。

复合材料是通过组合两种或多种具有不同特性的材料来创造具有增强特性的新材料而形成的。在自行车行业，最常见的复合材料是碳纤维增强聚合物 （CFRP）。

CFRP 等复合材料的主要优势之一是其各向异性。与钢或铝等在所有方向上都具有相同强度和刚度的各向同性材料不同，复合材料根据施加力的方向表现出不同的特性。这使得制造商可以通过在制造过程中战略性地定向碳纤维来定制自行车车架的强度和刚度。

除了碳纤维外，玻璃纤维、凯夫拉纤维甚至生物复合材料等其他材料也用于自行车制造。玻璃纤维具有良好的强度和成本效益，而 Kevlar 具有出色的抗冲击性。由回收纤维和植物树脂制成的生物复合材料作为传统碳纤维复合材料的更可持续替代品而越来越受欢迎。

还值得注意的是，金属在碳纤维框架结构中通常起着至关重要的作用。铝和钛通常用于粘合和加固碳纤维框架，特别是在需要高强度或耐磨性的区域，例如底部支架等。

复合材料已广泛应用于各种自行车部件中。以下是复合材料发挥作用的一些关键领域的详细介绍：

车架和前叉

碳纤维车架因其重量轻、刚度和吸收振动的能力而备受追捧。与传统的钢制或铝制车架相比，它们具有显著的性能优势，尤其是在重量和效率至关重要的公路自行车和山地自行车中。碳纤维前叉通过提供出色的减振和精确的转向控制来补充这些车架，进一步提高乘坐舒适度和控性。

复合框架的制造方法

制造碳纤维复合材料框架有两种主要方法：

树脂传递模塑 （RTM）：该方法是将树脂注入装有干燥碳纤维织物的封闭模具中。RTM 通常用于创建复杂形状和实现高纤维体积分数。

闭模技术：这些技术包括将预浸料碳纤维板放入模具中，然后在高温和压力下固化复合材料。存在不同的闭模技术变体，包括气囊成型、泡沫芯成型和牺牲芯成型。

制造方法的选择取决于所需的框架设计、生产量和成本考虑等因素。

轮辋

与传统的铝制轮辋相比，碳纤维轮辋具有多项优势。它们更轻，从而减少了旋转惯性并提高了加速度。它们也更硬，从而提高了动力传输和控精度。此外，碳纤维轮辋可以进行空气动力学优化，以减少风阻，从而提高速度和效率。

驾驶舱组件

自行车的“驾驶舱”是指车把、把立和座杆。碳纤维越来越多地用于这些组件中，以减轻重量、提高舒适度并增强控制。碳纤维车把提供轻便舒适的转向力，减少疲劳并提高转向精度。碳纤维把立提供刚度和轻质，有助于响应迅速的控制。碳纤维座管提供减振和轻便，提高乘坐舒适度。

其他组件

虽然不太普遍，但复合材料也用于其他自行车部件，如水壶架、鞍座和踏板。这些应用展示了复合材料的多功能性及其改善自行车设计和性能各个方面的潜力。

自行车行业的复合材料领域不断发展，持续的研发重点是提高性能、降低成本和增强可持续性。以下是塑造复合材料自行车未来的一些关键进步和趋势：

新的制造技术：自动纤维铺放 （AFP）、纤维缠绕和大幅面连续纤维 3D 打印等先进制造技术正在被用于自动化和优化复合材料自行车零件的生产。这些技术提供了更高的精度、效率和设计灵活性。

改进的性能特点：研究人员正在探索新的碳纤维配方、树脂系统和叠层技术，以提高复合材料的强度、刚度和抗冲击性。例如，东丽工业开发了 NANOALLOY™ 技术，该技术涉及将纳米级材料掺入树脂中，以提高框架强度并减轻重量。

先进材料集成：目前正在探索将石墨烯和纳米颗粒等材料整合到碳纤维复合材料中，以进一步提高强度、刚度和减振性能。

可持续性：制造商越来越关注可持续材料和制造实践，例如使用回收的碳纤维和生物基树脂，以减少复合自行车对环境的影响。

历史发展：碳纤维在自行车车架中的使用可以追溯到 1970 年代，材料和制造工艺的重大进步导致其在近几十年内得到广泛采用。

堆叠顺序优化：研究人员正在开发算法，例如数据驱动的进化算法 EvoDN2，以优化自行车车架中复合层的堆叠顺序。这有助于实现所需的刚度、重量和强度特性。

这些进步和趋势凸显了复合材料自行车行业的动态性质及其对持续改进的承诺。

自动纤维铺放 （AFP）

AFP 涉及使用机械臂将预浸渍的纤维带精确地放置在模具上。该技术具有以下几个优点：

复杂几何形状：AFP 允许创建复杂的形状和结构，而这些形状和结构对于手动铺层技术来说具有挑战性或不可能实现。这对于具有复杂设计和空气动力学特性的自行车车架尤其有益。

优化的纤维取向：AFP 能够精确控制纤维取向，使制造商能够根据特定的负载要求定制每个部件的强度和刚度。这导致了更轻、更高效的自行车部件。

减少材料浪费：AFP 通过仅将纤维精确放置在需要的地方来最大限度地减少材料浪费，从而减少废料并提高可持续性。

AFP 系统的关键组件包括纤维铺放头、材料输送系统、压实系统、用于定位控制的加热元件、精确的运动控制系统以及用于路径规划和控制的复杂软件。

然而，AFP 也带来了一些挑战，尤其是在应用于复杂的工具表面时。在这些情况下，实现精确的纤维取向并最大限度地减少褶皱、皱纹和丝束重叠等缺陷可能很困难。

纤维缠绕

纤维缠绕是将连续纤维缠绕到旋转心轴上以形成管状形状的过程。这种技术对于生产前叉、车架管甚至轮辋等部件非常有效。

纤维缠绕具有以下几个优点：

成本效益：与 AFP 系统相比，纤维缠绕系统通常具有更低的设备成本。

高生产率：该工艺对于简单、对称的零件特别有效，使其适合大规模生产。

出色的纤维控制：纤维缠绕为空心结构提供一致的张力管理，确保均匀的纤维分布和最佳强度。

纤维缠绕使用不同的缠绕模式来实现特定的强度特性：

环绕：纤维围绕心轴圆周铺设，在环向提供最大强度。这是抵抗圆柱形结构中内部压力的理想选择。

螺旋绕组：纤维与心轴成一定角度缠绕，从而实现轴向和圆周强度的平衡。这是压力容器和管道最常见的模式。

极轴绕组：纤维从心轴的磁极到磁极穿过，在轴向和圆周方向上都具有良好的强度。这是球形或圆顶端部的压力容器的理想选择。

尽管有其优点，但纤维缠绕也有一些局限性：

几何约束：纤维缠绕主要限于凸形，因此难以生产复杂或凹形几何形状。

纤维角度限制：实现相对于芯轴的非常低的纤维角度可能很困难，可能需要额外的轴向加固工艺。

表面光洁度：纤维缠绕部件的外表面通常需要额外的精加工，因为可能存在富含树脂的区域。

大幅面增材制造 （LFAM）

LFAM，也称为大规模 3D 打印，用于制造用于复合部件生产的模具和工具，以及直接制造车架部件和结构元件等自行车部件。

LFAM 具有以下几个优点：

效率：LFAM 将增材制造和减材制造工艺结合在一个系统中，从而提高了生产速度并降低了成本。

节省成本：LFAM 最大限度地减少了材料消耗和加工时间，从而显著节省了成本。

材料灵活性：LFAM 允许在一个组件中组合不同的材料，从而能够创建具有独特性能和功能的部件。

大幅面连续纤维 3D 打印将 LFAM 与连续纤维增强相结合，可以直接打印具有复杂几何形状和优化纤维取向的高性能复合材料部件。该技术用于制造各种自行车部件，包括车架、前叉和曲柄。

大幅面连续纤维 3D 打印的优势包括：

高强度和刚度：连续纤维增强显著提高了 3D 打印部件的强度和刚度，使其与传统制造的复合材料部件相媲美。

轻：该技术允许通过优化纤维铺设和最大限度地减少材料使用来制造轻质部件。

双重沉积打印方法：许多大幅面连续纤维 3D 打印机采用双沉积打印方法，其中短切碳纤维或玻璃纤维长丝和连续碳纤维或玻璃纤维 μAFP 胶带一起使用，以实现所需的强度和表面光洁度特性。

几个案例研究证明了自动化技术在自行车制造中的成功实施：

Wound Up Composite Cycles:：该公司利用纤维缠绕生产高性能碳纤维前叉，以其扭转刚度和减振性能而闻名。

Caracol AM：该公司使用 LFAM 3D 打印模具对碳纤维部件（如无人机机头）进行高压釜层压。本案例研究强调了 LFAM 在减少交货时间、材料浪费和成本方面的优势。

Anisoprint：该公司开发了一种连续纤维 3D 打印技术，用于制造具有优化纤维路径的轻质、坚固的自行车车把。本案例研究展示了连续纤维 3D 打印在定制和高性能自行车部件方面的潜力。

来自 Scalmalloy 的 3D 打印杆：一些制造商正在使用 3D 打印技术使用 Scalmalloy 制造定制自行车杆，Scalmalloy 是空客公司开发的一种铝钪合金。这种材料具有高强度和刚度，使其适用于轻质和高性能的阀杆。

Arevo Aqua 2 系统：Arevo 开发了 Aqua 2 系统，这是一种用于连续碳纤维复合材料结构的高速增材制造系统。该系统可以一次性打印整个自行车车架，无需模具，并显著缩短生产时间。

定制鞍座和配件：3D 打印还被用于制造定制鞍座和其他自行车配件，为个人骑手提供个性化的舒适度和贴合度。

Silca 的钛合金防滑钉：Silca 利用 3D 打印生产钛防滑钉，利用该技术优化强度重量比并创建复杂的设计。

Atherton自行车：Atherton Bikes 集成了 3D 打印的碳纤维自行车部件，旨在比传统材料更有效地处理复杂负载。

ideas2cycles：该公司开发了一种使用 3D 打印和镁合金铸造制造定制自行车的工艺。该工艺可实现个性化的车架几何形状和经济高效地生产单辆自行车。

这些案例研究展示了自动化技术在自行车制造中的各种应用，以及它们推动创新和提高产品性能的潜力。

复合材料自行车市场的一些主要参与者包括：

复合材料自行车的成本因品牌、型号和组件而异。入门级碳纤维自行车的价格约为 2,000 美元，而高端型号的价格可能高达 10,000 美元或更高。近年来，复合材料自行车的供应量显著增加，在线零售商和当地自行车商店提供了更广泛的选择。

定制和个性化在复合材料自行车市场中变得越来越重要。像 ENVE Custom Road 计划这样的程序允许客户使用定制的车架几何形状、组件选项和油漆方案来个性化他们的碳纤维自行车。像 CDuro 这样的小品牌也提供限量小批量车架，为那些寻求独特和定制自行车的人提供个性化的关注和客户服务。

复合材料已成为自行车行业不可或缺的一部分，在性能、轻量化和设计灵活性方面具有显著优势。制造技术和材料科学的持续进步进一步推动了复合材料自行车的可能性。AFP、纤维缠绕和大幅面连续纤维 3D 打印等自动化技术正在改变制造流程，实现更高的效率、定制和可持续性。

自动化和先进材料的日益普及可能会导致未来自行车更加个性化、高性能和可持续。想象一下这样一个世界：骑行者可以根据自己的确切需求和偏好订购定制设计的自行车，车架采用先进的复合材料 3D 打印，并由机器人以无与伦比的精度组装。随着传统制造方法和增材制造之间的界限不断模糊，这一愿景变得越来越现实。

新型复合材料和制造技术的发展不仅提高了自行车的性能，还增强了整体骑行体验。更轻、更舒适的自行车使骑行更加愉快，也让更广泛的人能够参与其中。此外，复合材料制造对可持续性的关注有助于更绿色、更环保的自行车行业。

随着这些技术的不断发展，我们可以期待在未来看到更多创新和高性能的复合材料自行车，进一步提升各个级别骑手的骑行体验。

来源：复合材料前沿