环保还是赚钱 碳架的替代制造方法会革新吗？

如今，碳纤维是许多自行车的理想材料，同时也是一种资源密集型材料。为了减少黑色纤维的工作量和不良碳足迹，一些制造商已经开始在碳纤维车架生产方面开辟新天地。这可以使未来的碳纤维车架在每个方面都变得更好，但此过程中存在一些障碍。

现在，几乎每个骑行爱好者都拥有一辆山地车。一旦被大众接受，山地车很快就被证明具有巨大的经济潜力，这反过来又推动了各种发展——包括新的制造工艺。

在这篇文章中，我们深入探讨了每辆山地车的核心：车架。更准确地说，它是如何制作的。如果你现在看到一辆自行车，问它是碳架吗？人们可能会怀疑你是否一直生活在过去。如今几乎所有现代自行车部件上都有碳部件。当然，还有一系列其他材料可以与黑色纤维竞争，铝一直存在，钢从未完全消亡，钛同样是一种追求。但碳纤维是自行车制造的永久固定材料，黑色纤维正在进行许多技术创新，因为制造商的经济和环境目标已经改变。目前，未来自行车的碳几乎总是来自亚洲某处的烤箱，但它可能很快就会由欧洲的机械臂产生。或者，在成为你的山地车车架之前，它甚至可能经过多次回收过程。

山地车车架结构的过去和现在

早期的自行车车架通常由钢制成，它们由直钢管通过钢耳钎焊在一起，其中一些看上去也挺精美的。70年代，加利福尼亚州马林县的加里·费舍尔 （Gary Fisher）和伙伴首次将自行车改装为越野车使用时，它们也是基于钢架打造的。80年代，第一批铝制和碳纤维车架投入生产，用于公路和山地自行车。铝制车架起初也有直管，只有通过液压成型和数控加工，弯曲的管子形状、可变的壁厚和复杂的连接件（如车架和减震器之间的连接）才成为可能。如今，制造商仍在使用这些技术来制造高性能的铝制自行车车架。

作为一种全新的材料，碳纤维车架结构在获得任何成功之前经历了几个古怪的概念。第一辆碳纤维山地车路特斯SPORT看起来像一个巨大的回旋镖，它与以前经典的菱形框架形状没有任何共同之处。在公路领域，情况就不同了：意大利品牌Colnago在1994年大获成功，当时他们将直碳管粘合到碳纤维凸耳上，保留了C40公路自行车的菱形形状。从那时起，由于许多技术创新，碳纤维已经发展成为一种久经考验且经常令人垂涎的山地自行车车架材料。

如今，我们生产的大多数自行车车架都采用硬壳式结构。为此，碳纤维板，即所谓的预浸料，被切割成一定尺寸，然后手工放入铝模具中，直到获得所需的框架图案，这称为叠层。然后，通过压力和热量，将这两半粘合在一起，并在大型烤箱（称为高压釜）的模具中固化，从而形成成品车架。

由于硬壳式工艺中复杂的铺层，现代碳纤维车架和其他碳纤维部件可以提供多种性能，并且在处理得当的情况下可以使用很长时间。从超轻量级到顺应性、减振、坚固，只要愿意为此付费，几乎一切皆有可能。那么，神奇的黑色纤维都很好吗？不完全是！碳生产的叠层需要大量的体力劳动，这很昂贵。此外，硬壳式设计需要非常昂贵的工具。每个部件都需要自己的模具，该模具由实心铝块加工而成，每个模具的成本都可能与中档汽车一样多。这项投资必须得到回报，而且要迅速完成。

想制作一些原型？新款的车架应该有更陡峭的座管角度吗？那你就需要一个全新的模具了！这对制造商来说会增加成本。因此，以硬壳式方式制造碳部件的成本只有在一定数量的销售时才能证明是合理的。即便如此，该过程也是非常耗能的，并且会污染环境。碳的生产每生产一公斤材料会排放约30公斤的二氧化碳，10%至30%的碳会变成废物，仅在德国，每年就产生870吨碳废物。由于目前还没有有效的碳回收解决方案，黑色纤维目前堆积在危险废物的垃圾场上。因此，有很多充分的理由质疑碳纤维车架的生产方法——甚至可能从头开始重新发明它！

未来的碳纤维山地车——绿色还是“金色”？

越来越多的制造商正在重新思考和改变他们生产碳成分的方式，不过制造商通过改变生产技术所追求的各个目标存在很大差异，是遵循可持续发展的绿色，还是继续追求盈利赚取真金白银？

小批量山地自行车的精益生产

让我们从一个极端开始：速降赛车。自2019年以来，Rachel、Gee和Dan Atherton三兄妹一直在制造以他们姓氏命名的自行车，他们的车架使用碳纤维，但不是经典的硬壳式结构，取而代之的是碳管粘合到3D打印的钛制凸耳上。

这又回到了千禧年之交前的公路自行车一样？是的，没错。但它们所承受的力量与鹅卵石和沥青路面上的公路自行车完全不同。别担心，Atherton Bikes的制造工艺已在航空和一级方程式行业的原型制造中得到证明。使用铝加工的硬壳式模具需要花费大量时间和金钱，需要大批量生产才能盈利。然而，Atherton Bikes提供多种尺寸，并且还满足定制需求，按订单构建每个车架。

但Atherton Bikes也出于纯粹的赛车性能原因而采用这种方法进行生产。直管和圆管可能看起来很简陋，但它们的壁厚会根据在车架上的各自位置进行调整。当3D打印钛制凸耳时，Atherton Bikes还看到了所需材料的优势，同时始终保持几何形状的灵活性。凸耳的设计和角度可以通过3D打印机以数字方式改变。碳管根据需要切割成一定长度。与硬壳式产品相比，这种生产方法使生产成本降低，尽管产量适中，同时也减少了材料浪费。如有必要，可以很容易地修复笔直、均匀的碳管中的缺陷，这在具有复杂和脆弱几何形状的硬壳式车架上往往很困难。所以现在有不少品牌也采用了类似的设计，比如Pivot 和Specialized。

来自山地车行业第三方供应商的绿色理念

诚然，一些职业速降车队并不能准确反映整个山地车行业。为了确定未来碳纤维车架生产的总体方向，更有趣的是研究不仅针对一小群赛车手，而且针对像我们这样的普通人的方法。生产车架的问题从来都不是自行车品牌自己保留的。远东供应商提供的专业知识、机器和工艺是大多数自行车公司在询问技术上可实现的目标时要考虑的重要因素。目前，自行车行业有许多以前不为人知的新参与者，他们正在将自己定位为在未来的碳生产中拥有发言权。

山地车车架碳复合材料中的生态纤维

SCALE是来自法国的第三方供应商，本身并不直接参与自行车生产。法国材料专家正在寻求与希望使其碳产品更加气候友好的制造商建立合作伙伴关系。在此过程中，他们继续使用久经考验且值得信赖的单壳式结构。然而，根据功能要求，高达50%的碳可以被SCALE的特殊生态纤维所取代，从而改善成品部件的整体环境足迹。据这家初创公司称，在质量上没有任何妥协，相反，其材料的高扭转刚性，在视觉上让人联想到浅色动物毛发，如果实施得当，实际上可以提高最终产品的性能。然而，仍然需要传统的碳纤维来为部件提供足够的抗拉强度，因为它们的生态纤维在这方面的性能较低。因此，SCALE的生态纤维不能完全取代资源密集型的黑色纤维。整个过程仍然需要在环氧树脂中固化。总体而言，根据SCALE的说法，他们的技术可以减少40%的二氧化碳排放，因为生态纤维是以气候友好的方式生产的。这家法国公司目前正在与几个自行车品牌进行谈判，希望利用他们的专业知识制造更环保的碳纤维山地自行车。

热固性碳是一种单向生产工艺。加工后的纤维，无论是生态纤维还是碳纤维，都不能与固化它们的环氧树脂分开。目前在我们的自行车上发现的碳纤维成分几乎都是热固性的。如果发生损坏或产品生命周期结束时，它们只不过是危险废物。另一方面，热塑性碳也由碳纤维组成，但这些碳纤维没有浸泡在环氧树脂中，而是使用了一种替代粘合剂，加热时可以再次液化。因此，热塑性碳中的纤维可以通过加热组件来提取，理论上可以重复使用它们。

Fibertech Bike Technology（Fi.Bi.TEC）采取了不同的方法。这家德国公司扎根于汽车行业，采用一种已经成为汽车标准的方法制造自行车车架。它们使用热塑性塑料和碳，但不需要碳预浸料、铺设模型或烤箱。在Fi.Bi.TEC，碳纤维以颗粒形式出现，可用于注塑成型。通过在关键区域添加钢筋，他们可以高精度地对车架的属性进行建模。该工艺的优点是100%减少生产浪费、汽车质量标准和令人印象深刻的生产速度。Fi.Bi.TEC可以在短短一分钟内冲压出一个新车架，并且该工艺有可能将二氧化碳排放量减少80%。

是什么阻碍了未来的碳纤维车架？

我们已经确定碳纤维车架的替代生产方法已经存在，它们可以消除复杂的硬壳式模具、手动铺层和高压釜中的能源密集型烘烤。它们也可以赢得奖牌。Revved Carbon、SCALE和Fi.Bi.TEC 等创新者已经拥有资源节约型碳生产所需的专业知识，这也提供了切实的优势，例如提高抗冲击性。特别是凸耳碳管，在专业速降比赛或原型制作中快速调整时，已经证明了它们的潜力。但是，这种生产方法主要适用于小批量或定制。

热塑性碳组件经常被吹捧的王牌是它们的可回收性，因此具有可持续性。然而，在目前的技术状态下，它应该被称为降级循环而不是回收。Revved Carbon可以粉碎其材料的边角料，然后继续将其用于较小的部件或注塑成型。自行车制造商FORGE+BOND提供了降级回收的一个具体例子。这个美国品牌使用热塑性碳来生产其轮圈。它们重塑有缺陷的产品或生产废料，让它继续存在。虽然这并不完全是真的回收。再利用热塑性碳的技术尝试可能会在未来几年为这些材料提供强大的推动力。由于新的合作和行业日益增长的兴趣，有缺陷的碳纤维车架实际上可能会在未来成为新的车架。

山地车车架制造商需要重新思考

替代碳纤维产品在大众市场上的成功很大程度上取决于自行车品牌是否愿意参与替代工艺。材料专家已经确定，碳纤车架的新型生产方法对制造商来说在经济上是可行的。那么，为什么很少有品牌采用替代方法，例如与Revved Carbon合作的Guerrilla Gravity？新方法无法无缝集成到自行车制造商的现有结构中，我们不能简单地将Revved Carbon放置在传统的硬壳式模具中并遵循完全相同的生产过程。此外，即使是车架的结构也必须适应新材料，以充分利用其性能。许多品牌的碳纤维车架在远东的大型工厂生产，与其他品牌共享生产能力。只要竞争对手至少不对摆脱传统的热固性碳表现出兴趣，推动将整条生产线转换为新材料和生产工艺的单一客户就不太可能取得多大成功。剩下的唯一选择是品牌更换生产合作伙伴，进行更多的本地生产，或者将生产带到内部。所有这些都伴随着复杂的战略变化、不确定性和资本投资。因此，尽管存在潜在的机会，但转向新的制造工艺往往在发展之前就被扼杀在萌芽状态。

编辑：滨