TWI607894B - Composite carbon fiber wheel frame manufacturing method - Google Patents

Description

複合碳纖維輪框之製造方法

本創作係關於一種複合碳纖維輪框之製造方法，尤指一種可生產複合碳纖維輪框之製造方法。

自行車除了為交通工具外，騎乘時同時具備健身運動的功效，為符合不同消費者的需求，目前業者所開發的自行車等級差距相當大，有的以換檔功能為訴求，另有部分型式的自行車則以質輕、強度佳為考量，因此即有材料研發業者不斷為自行車的車架、組件及零配件開發適合的材料。

以輪框來論，從早期的鋼材質到鋁材質，即是質輕為考量，而近年來甚為風行的碳纖維輪框，更是看中碳纖維具備比鋁材質輕，強度比鋼材質大之特性，而在碳纖維紗其細度比頭髮還小的情況下，即可利用編織方式形成素材，甚至可與其他高強度或不同特性之材料配合形成複合材料，因此利用這些複合碳纖維材料，即可製造出質輕、高強度的輪框。

目前複合碳纖維輪框的製造方式，係藉由碳纖維紗編織成碳纖維預浸布，而後將設定的圓形輪框劃分為數個區段，並依所需之碳纖維預浸布層數，分區段地一層一層地貼合於輪框內模的外表面，而於層層相疊時，並依設定的強度，使每層預浸布的紗線方向呈特定的交錯狀態，以達到設計的輪框強度值；當完成碳纖維預浸布的貼合程序後，再置入外模之模具中，藉由內模裝置與外模裝置同時加熱及加壓程序，使各層之碳纖維預浸布貼合並定型，即可形成質輕且高強度的輪框。

上述即為現今複合碳纖維輪框主要的製造方法，而近年來雖有業者不斷地進行研發改良，然大多是針對碳纖維預浸布的編織方式、預浸布之黏結劑或模具的結構作改良，以層層相疊之碳纖維預浸布作為輪框素材的製造方式均未改變，也從未有業者思及，以此方式所製造出之輪框會產生什麼樣的顧慮；若以複合碳纖維輪框所須考慮的幾種破壞因素來考量，胎壓、騎乘者的重量、剎車時產生摩擦高溫等等，分區段並以層層相疊之預浸布作為輪框素材的製造方法均與破壞因素有直接的關係，而存在以下的問題：

1.因各區段及各層的預浸布係以貼合方式而在加熱後硬化成一體，因此在各區域的銜接處及各層間貼合的接觸面積處，僅藉由黏結劑形成膠合而導致結合強度並不佳，而黏結劑在高溫下容易產生變化，在熱脹冷縮及胎壓、騎乘者重量的多重因素下，即會對輪框產生破壞。

2.因各區段及各層的預浸布之間的銜接處，均會形成整個輪框強度的弱點，倘若，在貼合過程中，各區段間或各層碳纖維預浸布之間有殘留空氣時，上述狀況下所產生的破壞力更加顯著。

3.目前碳纖維預浸布的貼附均為人工作業，故不僅各預浸布的貼附位置難以精控，且貼附過程易因人為的疏失而導致品質受到影響，並同時存在耗時的問題。

故由上述可知，現今以層層相疊之碳纖維預浸布來製造複合碳纖維輪框的製造方法，確實存在上述的問題，因此，本創作者乃針對上述製造方法再重新思考，在現今碳纖維製品，先行製作為碳纖維預浸布，再一層一層貼合的方式，或許於其他製品上，並不會產生應用於輪框時的問題，但一旦應用於輪框的領域中，則須考慮更多的因素，而擬解決這些問題，惟有改變目前的製造方法；故本創作者乃研發出本創作＂複合碳纖維輪框之製造方法”，該製造方法藉由捲紗步驟、裁切步驟、摺邊步驟、組合步驟及定型步驟，可大量製造出所需之複合碳纖維輪框，因捲紗步驟中係以碳纖維紗交叉疊置的型態形成碳纖維管，因此以一體化之碳纖維管更能製造出品質佳之輪框。

因此，本創作之主要目的，係提供一種複合碳纖維輪框之製造方法，該製造方法包含有：捲紗步驟：將紗捲輪上之碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，使碳纖維紗以預設的角度且呈交錯疊置的型態纏繞於心軸表面，於心軸上形成含有黏結劑之碳纖維管；裁切步驟：將心軸取下，形成中空之碳纖維管，而後進行徑向的裁切形成特定寬徑之碳纖維管，作為輪框之主基材碳纖維管及框基材碳纖維管；摺邊步驟：於輪框主基材碳纖維管翻摺形成框本體，該框本體兩側形成框緣面，於框基材碳纖維管翻摺形成外框，該外框兩側形成銜接端緣；組合步驟：使已完成摺邊之框基材碳纖維管置於主基材碳纖維管兩側框緣面之間並膠合呈固結狀態；定型步驟：藉由定型模具將輪框進行加熱及加壓的步驟。

藉由上述製造方法，相較於現今之製造方法，即具備以下的功效：

1.因本創作係藉由捲紗步驟形成中空之碳纖維管，故不會形成銜接處或貼合面，不僅可提高強度，且也降低了不同因素對於輪框的破壞，提供一更加精良之複合碳纖維輪框。

2.因本創作非以各區段銜接及層層相疊方式製造呈輪框，因此，即無銜接處或貼合面間殘留空氣的問題，提供一高品質之輪框。

3.因本創作係以機器方式即可製造出所需之碳纖維管，故可節省人力貼附的程序，不僅提高品質的精確性，且工時也縮減。

4.藉本創作之製造方法，即可大量製造同一內徑之輪框，且單一碳纖維管在維持同一內徑之狀況下，均能在製程中改變其寬徑及厚度，故使製出之輪框型態更多樣化，並產能更加提昇。

前述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟之前包含一浸潤步驟，該浸潤步驟係使紗捲輪上之碳纖維紗先經過黏結劑浸潤槽，使碳纖維紗表面附著黏結劑。

前述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟係同時使碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管。

藉由上述兩種型式之實施方式，均可使製造出之碳纖維管上同時存在黏結劑。

前述複合碳纖維輪框之製造方法，其中摺邊步驟與組合步驟之間，另以一道補強步驟於框本體之框緣底部環設襯材。

前述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟與裁切步驟之間，另以一道補強步驟於碳纖維管部分區段處的表面附著襯材。

藉由上述於適當步驟中加入補強步驟之製造方法，可製造出具有補強襯材之輪框。

前述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟時於不同區段設定為不同厚度。

藉由上述於不同區段設定為不同厚度的製造方法，可使製造方法更具變化性。

請參看圖1所示，本創作之製造方法主要是經過捲紗、裁切、摺邊、組合及定型等步驟，而這些步驟如下：

1.捲紗步驟：本創作之捲紗步驟，係將碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，捲繞時配合心軸的移位或紗捲輪的移位，或設於心軸與紗捲輪間的紗線移位器，使碳纖維紗以預設的角度且以碳纖維紗交錯疊置的型態纏繞於心軸表面，且可藉由移位速度的改變，使交錯疊置的碳纖維紗呈不同角度的疊置狀態，而交錯疊置的碳纖維紗圈數可依擬製造之輪框強度值而設定；

上述的碳纖維紗於進行捲紗步驟前，可先經過黏結劑浸潤槽，使碳纖維紗表面附著黏結劑，或是將碳纖維紗與樹脂纖維紗以相對比值捲繞於心軸的表面，而於碳纖維紗表面附著黏結劑的材料，或以碳纖維紗與樹脂纖維紗交錯捲繞的方式，於完成捲紗程序後，於心軸表面均可形成本創作後製步驟的素材。

2.裁切步驟：之後可將心軸取下，即形成中空的碳纖維管，而後進行徑向的裁切程序，形成特定寬徑之碳纖維管，寬徑的大小，以擬製造之輪框寬徑來設定；本創作係應用於輪框的製造方法，輪框之主基材及框基材均可以利用裁切後不同寬徑的碳纖維管來製作。

3.摺邊步驟：之後即可將裁切後不同寬徑的碳纖維管進行摺邊，例如主基材碳纖維管的部分，利用摺邊步驟於兩側形成框緣面，而框基材碳纖維管部分，則利用摺邊步驟於兩側形成銜接端緣，各形成輪框的基本雛型。

4.組合步驟：而後可將輪框的各構件加以組合，組合方式可以膠合方式而組成輪框的型態，例如主基材碳纖維管與框基材碳纖維管的組合方式，係將框基材碳纖維管置放於主基材碳纖維管兩側之框緣面之間，並由銜接端緣與主基材碳纖維管之框緣面膠合。

5.定型步驟：之後藉由定型模具將輪框進行加熱及加壓的步驟，此步驟不僅使碳纖維素材之碳纖維紗藉由黏結劑或樹脂纖維硬化，使交叉疊置的碳纖維紗密貼合呈預設的輪框厚度，且使構件間能緊密結合，製造出強度佳、質輕的複合碳纖維輪框。

因此，藉由上述本創作主要的步驟，即可提供一與現今製造方法不同的碳纖維輪框之製造方法，本創作藉由捲紗步驟即可預製出特定厚度的碳纖維管，而此碳纖維管的特性為碳纖維紗係交叉疊置的，故為一體化的碳纖維管，非層層相疊之型態，且本創作以碳纖維管直接摺邊及組合的製造方法，與現今須將輪框分區域的製造方法相較，本創作並不存在區段間的銜接處，克服了現今製造方法於區段銜接處及各層間貼合處所產生強度不佳的問題；再者，也減少了人工作業的時間及失誤率，提供一更符合需求的製造方法。

故於圖1的主要步驟下，本創作可衍生更多型態的製造方法，以下即列舉幾種實施型態說明：

第一種型式之製造方法：請參看圖2所示，本創作第一種型式之製造方法，係在於捲紗步驟前先使碳纖維紗經過浸潤步驟，且於摺邊步驟與組合步驟之間會加入一道補強步驟，請配合參看圖3所示，當紗捲輪10之碳纖維紗11於尚未捲繞於心軸12表面之前，碳纖維紗11會先經過黏結劑浸潤槽13，使碳纖維紗11表面附著黏結劑，之後再使碳纖維紗以交錯疊置的方式捲繞於心軸12表面；

復請配合參看圖2及圖4所示，當製造出預設厚度之碳纖維管20後，即可進行裁切步驟，而裁切出不同寬徑之碳纖維管，如圖4所示，即區分為輪框主基材碳纖維管21及框基材碳纖維管22，兩者差別可在圖上可見及之寬徑不同，且可進一步於捲紗步驟時即預設，使主基材碳纖維管21之厚度與框基材碳纖維管22之厚度為不同，相對的，裁切後之主基材碳纖維管21與框基材碳纖維管22即可符合輪框強度值的設定；除此之外，本創作更可利用同一碳纖維管裁切之不同寬徑的碳纖管，來製造不同寬徑之輪框，再搭配不同區段的厚度也可控制的情況下，本創作在同一碳纖維管維持內徑相同，但厚度及寬徑均可依需求而改變的製造方法，更能符合產能的控管；

完成裁切步驟後，即進行摺邊步驟，請配合參看圖2及圖5所示，於圖5係以主基材碳纖維管21之摺邊步驟進行說明，可將主基材碳纖維管21兩側往外翻摺形成框本體30之框緣面31，因此時素材尚未經過定型步驟，故在素材硬度不大的情況下，可塑造成框本體30之基本雛型，而於此製造方法中進一步增設之補強步驟，係於框本體30之中央區段的框緣底部環設襯材32，以增加框本體30的強度，另框基材碳纖維管22則經過摺邊步驟後形成外框33，並於外框33兩側形成銜接端緣34，而於組合步驟時，再將外框33兩側之銜接端緣34與框本體30兩側之框緣面31藉由組合步驟而固結呈輪框35；

之後的定型步驟，即可採用現階段各種之定型技術，藉由定型模具將輪框35進行加熱及加壓的步驟，使碳纖維紗藉由表面附著之黏結劑產生硬化，並同時使框本體30與外框33間呈膠合狀態。

第二種型式之製造方法：請參看圖6所示，本創作第二種型式之製造方法，係使捲紗步驟與裁切步驟之間加入了補強步驟，請配合參看圖7所示，使成型後之碳纖維管40之部分區段處於表面即附著襯材41，當經過裁切步驟後，請參看圖8所示，主基材碳纖維管42之表面即附著襯材41，故經過摺邊步驟後無須再經補強步驟，即可進行組合步驟。

第三種型式之製造方法：請參看圖9所示，係於捲紗步驟中同時將碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管，之後再經裁切步驟、摺邊步驟、補強步驟、組合步驟及定型步驟，製造出複合碳纖維輪框。

第四種型式之製造方法：請參看圖10所示，係於捲紗步驟中同時將碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管，且再藉由補強步驟，使成型後之碳纖維管之部分區段處於表面附著襯材，之後再經裁切步驟、摺邊步驟、組合步驟及定型步驟，製造出複合碳纖維輪框。

綜上所述，藉由本創作之製造方法，係以碳纖維紗交叉疊置的型態形成輪框之素材，不僅不存在各區段銜接處及各層間貼合的問題，更可依所需的輪框強度及型態，以不同的製造參數及附加的製程，製造出所需的輪框，且以此方式所製造出之單一碳纖維管，即可大量快速地製造出內徑相同之複合碳纖維輪框，因此，相較於現今之製造方法，本創作更能製造出品質精良之複合碳纖維輪框，且同時存在可大量生產及精簡人力的功效。

10‧‧‧紗捲輪
11‧‧‧碳纖維紗
12‧‧‧心軸
13‧‧‧浸潤槽
20‧‧‧碳纖維管
21‧‧‧主基材碳纖維管
22‧‧‧框基材碳纖維管
30‧‧‧框本體
31‧‧‧框緣面
32‧‧‧襯材
33‧‧‧外框
34‧‧‧銜接端緣
35‧‧‧輪框
40‧‧‧碳纖維管
41‧‧‧襯材
42‧‧‧主基材碳纖維管

圖1係本創作製造方法主要步驟之流程圖。

圖2係本創作第一種型式製造方法之流程圖。

圖3係本創作第一種型式製造方法中進行捲紗步驟之示意圖。

圖4係本創作第一種型式製造方法中進行裁切步驟之流程示意圖。

圖5係本創作第一種型式製造方法中進行摺邊及組合步驟之流程示意圖。

圖6係本創作第二種型式製造方法之流程圖。

圖7係本創作第二種型式製造方法中進行裁切步驟之流程示意圖。

圖8係本創作第二種型式製造方法中進行摺邊及組合步驟之流程示意圖。

圖9係本創作第三種型式製造方法之流程圖。

圖10係本創作第四種型式製造方法之流程圖。

Claims (8)

1. 一種複合碳纖維輪框之製造方法，該製造方法包含有： 捲紗步驟：將紗捲輪上之碳纖維紗持續捲繞於一心軸上，使碳纖維紗以預設的角度且呈交錯疊置的型態纏繞於心軸表面，於心軸上形成含有黏結劑之碳纖維管； 裁切步驟：將心軸取下，形成中空之碳纖維管，而後進行徑向的裁切形成特定寬徑之碳纖維管，作為輪框之主基材碳纖維管及框基材碳纖維管； 摺邊步驟：於輪框主基材碳纖維管翻摺形成框本體，該框本體兩側形成框緣面，於框基材碳纖維管翻摺形成外框，該外框兩側形成銜接端緣； 組合步驟：使已完成摺邊之框基材碳纖維管置於主基材碳纖維管兩側框緣面之間並膠合呈固結狀態； 定型步驟：藉由定型模具將輪框進行加熱及加壓的步驟。
2. 如請求項1所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟之前包含一浸潤步驟，該浸潤步驟係使紗捲輪上之碳纖維紗先經過黏結劑浸潤槽，使碳纖維紗表面附著黏結劑。
3. 如請求項1所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟係同時使碳纖維紗及樹脂纖維紗捲繞於心軸表面，使碳纖維紗與樹脂纖維紗以交錯捲繞方式形成碳纖維管。
4. 如請求項1至3中任一項所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中摺邊步驟與組合步驟之間，另以一道補強步驟於框本體之框緣底部環設襯材。
5. 如請求項1至3中任一項所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟與裁切步驟之間，另以一道補強步驟於碳纖維管部分區段處的表面附著襯材。
6. 如請求項1至3中任一項所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟時於不同區段設定為不同厚度。
7. 如請求項4所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟時於不同區段設定為不同厚度。
8. 如請求項5所述複合碳纖維輪框之製造方法，其中捲紗步驟時於不同區段設定為不同厚度。