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  • Giuseppe Crinò

COME SONO FATTI I TELAI IN FIBRA DI CARBONIO?

Aggiornato il: mar 31


Quando parliamo di telai in carbonio, più nello specifico ci riferiamo a telai costruiti in materiali compositi: fibra di carbonio, tenuta insieme da una matrice di resina epossidica.

La fibra in carbonio viene utilizzata in strati, chiamati “pelli” la cui trama può variare in funzione del particolare tipo di sollecitazioni a cui il telaio è sottoposto in un determinato punto.


La scelta del tipo di fibra di carbonio è legata al disegno del telaio ed è fondamentale per avere le performance desiderate di reattività o flessibilità, di risposta alle vibrazioni, ma anche per ridurre il peso, riducendo materiale dove non serve.

FIBRA DI CARBONIO E RIGIDEZZA


In base alla rigidezza si distinguono 5 categorie di fibre di carbonio:

1. LM (low modulus), utilizzato per aumentare la tenacità della matrice;

2. SM (standard modulus);

3. (HT) high tenacity-high strength or (IM) intermediate modulus;

4. HM (high modulus);

5. UHM (ultra high modulus) di uso elettivo nell’industria aeronautica e aerospaziale.


Per la Costruzione dei Telai Bici si impiegano due categorie di fibra di carbonio: fibra di carbonio ad alta resistenza (HT) e fibra di carbonio ad alto modulo (HM).


Il modulo ad alta resistenza ci darà un telaio più resistente e meno rigido, mentre un alto modulo ci darà un telaio bici più rigido, ma anche più fragile.

Ogni azienda e ciascun artigiano ha la sua ricetta e se non fosse così non avremmo differenze tra un telaio ed un altro; un buon telaio potrebbe essere dato da un mix delle due categorie di fibra che verranno impiegate ad hoc in specifiche aree del telaio, in funzione del tipo di risposta che serve. Per ciascun’area del telaio si ricercano maggiore resistenza e/o flessibilità a scapito della rigidezza in funzione del design scelto.


Un’altra via potrebbe portare alla scelta dell'Uni Direzionale al posto del tessuto con fibre incrociate per avere un incremento della rigidità grazie al fatto che le fibre sono dritte e non si devono "scavallare" l'un l'altra con un percorso a zig-zag.


Il progetto inizia includendo fibre unidirezionali (UD) e FB (fabric=tessuto). Giunti al termine del progetto si può decidere di eliminare tutto il FB e sostituire ogni pelle di FB con due pelli di metà grammatura di UD messe una a 0° e una a 90°, tenendo presente che la rigidezza di un UD in direzione delle fibre è fino a 30 volte superiore alla rigidezza in direzione perpendicolare alle fibre.


Già questo elemento ci suggerisce da solo la ragione per la quale un telaio in carbonio può differire in modo importante da un altro per reazione alle sollecitazioni e alle vibrazioni dal terreno che, in funzione di come si trasmettono per l’intera struttura possono creare maggiore o minore comfort, essere più o meno reattivi.


Ragionando per assurdo, girando di 90° tutte le direzioni delle pelli si ottiene un telaio di pari peso, ma mollo come un chewingum...


ESISTE UNA RELAZIONE TRA LA MATERIA ED IL DESIGN DEI TELAI?


MATERIA E DESIGN, materia e struttura, dunque vanno guardate nel loro insieme e sono motivo imprescindibile della riuscita o meno di un telaio.

La maggiore o minore resistenza della fibra di carbonio è data anche dal numero di filamenti, identificato quest’ultimo, dal simbolo “K”, che sta per 1000, dunque mille filamenti per unità di fibra.

Il prodotto industriale è costituito da fasci di fibre detti tows, ciascuna delle quali è composta da un numero variabile di singoli filamenti, aventi caratteristiche omogenee di resistenza meccanica e di densità. Si hanno generalmente fibre (yarn) costituite da 1000, 3000, 6000, 12000, o anche 24000 filamenti di base.


Per i telai bici solitamente si utilizzano fibre da 1; 3; 6 e 12K. Un più alto numero di “K” identifica un maggior numero di filamenti. Chiaramente il “K” guida nell’utilizzo di fibre più o meno fitte a seconda – ancora – del design e della sollecitazione prevista per quella sezione.


Un “K” elevato significa un tessuto di fibra più spesso e meno plasmabile, ma più resistente. Per riconoscere il numero di k dall’esterno, a pari grammatura del tessuto, si può osservare la dimensione degli intrecci. Più sono piccoli, più solitamente i k sono bassi.

I fasci di fibre vengono poi intrecciati in un senso biassiale per fare un tessuto di carbonio (pelle).

I diversi sistemi di intreccio hanno per lo più uno scopo ottico, mentre l’intreccio in se è ragione della multi-direzionalità del carico a cui il fascio di fibre dovrà rispondere.

Conoscendo l’applicazione esatta delle forze e potendo escludere con certezza la possibilità che ci siano carichi, anche saltuari applicati diversamente, l’unidirezionale è la via da seguire; questa esclude le fibre inutilizzate permettendo un notevole risparmio di peso.

In mancanza di questa certezza o prevedendo carichi applicati in più direzioni, allora sarà necessario optare per il tessuto intrecciato.


COSA TIENE INSIEME I "PEZZI"?


La Resina Epossidica svolge la doppia funzione di collante e di distributore delle sollecitazioni alle fibre di carbonio, benché con la diffusione del carbonio pre-impegnato si sia ridotto l’uso della resina.

La sua asciugatura avviene già a temperatura ambiente e una volta indurita offre un’elevata resistenza ai graffi. La resina epossidica non si ritira in fase di asciugatura mantenendo quindi una buona stabilità dimensionale.

Così come per la fibra di carbonio, anche per la resina è di fondamentale importanza la sua qualità. In casi estremi infatti il carico di rottura del telaio può essere dato dalla rottura della resina e non dalla fibra!


COME PRENDERSI CURA DEL TELAIO IN CARBONIO?


Ma come prendersi cura del telaio in fibra di carbonio della nostra bici?

La fibra di carbonio è un materiale fragile, nel senso meccanico del termine, ovvero tollera molto male gli urti, in particolare rispetto ai telai bici in metallo che possono bozzarsi, ma non rompersi.


Quando non è protetta è particolarmente sensibile agli effetti dovuti all’esposizione ai raggi UV, ecco perché i telai in fibra di carbonio vengono sempre protetti da un protettivo trasparente.

La fibra di carbonio è caratterizzata da un’elevata resistenza a torsione, con elevate rigidezza e resistenza alla trazione e alla compressione e in contropartita una bassissima densità. Ha un’elevata resistenza al calore, un coefficiente di dilatazione nullo ed è insensibile all’umidità e agli agenti corrosivi.

ROTTURA DEL TELAIO

Premesso che un’ispezione attenta richiede apparecchiature sofisticate, va anche detto che i fattori che possono portare ad una rottura del telaio sono sostanzialmente tre:

· difetto strutturale;

· caduta;

· serraggi fuori misura effettuati a “sensazione” anziché con la chiave dinamometrica.

Dopo aver pulito per bene il telaio, vanno verificate eventuali abrasioni, spaccature superficiali o – peggio – più profonde. Non va trascurata infatti la funzione protettiva che la vernice svolge sulla fibra di carbonio, nei confronti degli agenti atmosferici.

Il telaio va ispezionato con attenzione alla luce e in ogni sua parte, con particolare riguardo ai punti di connessione:

· Il punto di incontro tra tubo obliquo e la parte inferiore del cannotto sterzo

· Scatola del movimento centrale e relativi punti di connessione con i foderi del forcellino posteriore tubo piantone e tubo obliquo.

· Cannotto sella e zona di serraggio al telaio

· Verifichiamo poi i foderi della forcella anteriore e posteriore provando ad avvicinare con leggera pressione i foderi tra di loro. Se udiamo scricchiolii, la bici va sottoposta ad un controllo più scrupoloso da parte del produttore o della nostra officina di fiducia.

· Infine verifichiamo la tenuta del manubrio e il cannotto reggisella provando a fletterli. Non devono flettersi, né dobbiamo udire alcun scricchiolio e se così dovesse essere la bici non va utilizzata.

Detto questo, utilizzato in condizioni normali, cioè a patto che non subisca urti o deformazioni oltre i limiti, un telaio bici in carbonio può durare molto a lungo, lasciando inalterate le qualità di rigidità rispetto alla fatica. Fattore fondamentale è rispettare le coppie di serraggio consigliate dal costruttore e dunque utilizzare sempre la chiave dinamometrica.

In linea di principio mi sbilancerei nel dire che la qualità media raggiunta dalle diverse aziende è tale da consentirci di stancarci noi del nostro telaio prima che sia lui a dare segni di stanchezza.


Ringrazio Alessandro Giusto per il supporto tecnico; Fibra Italia per le foto 1, 2 e 3 e Gianni Pegoretti (DeAnima bike) per le foto 4, 5 e 6

GC


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