Il carbonio per la bicicletta

 Supponiamo che vogliate acquistare una bicicletta con telaio in fibre di carbonio, di entrare in un negozio e di sentire il meccanico cominciare a parlare di alta resistenza, modulo, intreccio, lavorazione full carbon o monoscocca. Venite travolti da un bombardamento di informazioni capaci di far vacillare le intenzioni iniziali. Siete sicuri di sapere cosa state per comprare? Se la risposta è no, leggete questo articolo, nel quale cercheremo di fare luce sulle diversità delle fibre di carbonio per biciclette.

La fibra di carbonio è un materiale composito, ovvero disomogeneo e formato da due materiali base: le fibre di carbonio, ricavate dalla distillazione del petrolio o da un materiale polimerico denominato PAN, che conferiscono resistenza meccanica, e la resina epossidica, che fa da collante. La caratteristica fondamentale del composito, oltre al peso e alle elevate doti di robustezza, è l’anisotropia, ovvero la resistenza alle forze è massima quando queste sono longitudinali alla disposizione delle fibre e molto blanda quando invece sono ortogonali. Questo ha aumentato le caratteristiche di progettualità dei telai e dei componenti, poiché disponendo le fibre si ottengono manufatti di elevata resistenza meccanica alle sollecitazioni tipiche del ciclismo.

Le fibre però non sono tutte uguali e si classificano sulla base di:

• Modulo

• Trama

• Intreccio

• Titolo

• Tipologia produttiva

La combinazione di questi elementi dà vita a fibre che si prestano più all’uso su strada, alla mtb, all’assorbimento delle vibrazioni o alla rigidezza totale, per cui è bene conoscerle per comprendere se il telaio che stiamo per acquistare sia adatto alle nostre esigenze.

Il modulo

Il modulo è l’indice della resistenza meccanica della fibra. Più elevato è il modulo più alta la resistenza alle sollecitazioni ma anche la rigidezza totale. Un telaio con un modulo più alto fletterà meno, sarà meno deformabile, quindi più rigido e trasmetterà meglio l’energia impressa dal ciclista. Di contro sarà più fragile, poiché estremamente rigido. Infatti la deformazione a rottura della fibra è molto bassa (l’acciaio ha una deformazione del 20% mentre il carbonio del 2%). Significa che quando la forza agente sul telaio è più alta, un telaio con modulo elevato non si deforma ma si spezza, mentre l’acciaio si deforma fino al 20% prima di rompersi.

In base al modulo, nel campo del ciclismo troviamo:

• Fibre ad alta resistenza (HS o high strength): sono più deformabili e quindi assorbono meglio le vibrazioni, privilegiando il comfort in sella. Sono le fibre più usate per la mtb o per le biciclette da ciclocross o gravel, che devono affrontare percorsi molto dissestati;

• Fibre a modulo intermedio (IM o intermediate modul): sono poco usate;

• Fibre ad alto modulo (HM o high modul): fibre che raggiungono una resistenza meccanica estrema. Il modulo elastico, ovvero la massima forza che riesce a indurre una deformazione non permanente nel materiale, è di 230GPa per HS ma di 700GPa per l’alto modulo. Quindi il telaio risulta estremamente reattivo, rigido ed è la scelta privilegiata per le biciclette da corsa, cove la dispersione di energia deve essere minimale. Un telaio ad alto modulo però assorbe pochissimo le vibrazioni, che vengono così trasmesse al ciclista, affaticandolo;

• Fibre ad altissimo modulo (UHM o Ultra High Modul): delle fibre dall’elevatissima resistenza meccanica e rigidezza, che però sono anche fragili;

Il modulo si ottiene attraverso trattamenti termici differenti che modificano la struttura molecolare del composito ed è influenzato dal rapporto tra il numero di fibre e della resina.

La trama

Le fibre di carbonio vengono disposte a formare un tessuto, tenuto insieme dalla resina epossidica. La direzione delle fibre definirà quali forze sarà in grado di resistere il telaio una volta prodotto. Esistono vari tipi di direzionalità che si possono conferire alle fibre ma la migliore è quella con orientamento unidirezionale.

La trama è formata da un determinato numero di filamenti di carbonio e la si indica con K, dove 1K identifica 1000 fili di carbonio. Minore è il K più pregiata è la fibra.

Le trame possono essere fitte e larghe e si dividono in 4 grandi categorie:

• 1K: trama estremamente fitta, che aumenta la robustezza e consente di usare meno resina per incollare le fibre. E’ la trama più pregiata, poiché consente di risparmiare peso mantenendo elevatissime le caratteristiche di resistenza meccanica. Ovviamente è più costosa;

• 3K: Trama molto fitta, che raggiunge livelli simili a quelli della 1K ma con un peso maggiorato;

• 5K: una trama mediamente fitta, con meno fili e più resina a riempire gli interstizi quindi con peso e resistenza meccanica minore;

• 12K: una trama larga dove la luce tra le fibre è alta ed è riempita con la resina, con conseguenti aumenti di peso e riduzione delle caratteristiche di resistenza (la resina ha basse proprietà di resistenza meccanica);

L’intreccio

Per intreccio si intende la sovrapposizione di più tessuti di fibra di carbonio con differenti orientamenti, in modo da ottenere un telaio che non sia esclusivamente anisotropo ma che possa resistere anche a forme ortogonali. L’intreccio si ottiene sovrapponendo trame diversi, formando dei fogli di carbonio definiti “finiture”, esattamente come farebbe un sarto con un tessuto. Le finiture più usate sono:

• Twill: è la più pregiata, poiché caratterizza l’aspetto del telaio finito e ha una buona bagnabilità dalla resina, ovvero si lega molto bene e quindi l’incollaggio è più efficace. Inoltre si addice a superfici curve ed è flessibile. Ha l’effetto di filature disposte a 45°;

• Plain: una finitura dove le fibre passano una sopra l’altra in continuo, con incroci ortogonali tra loro. E’ poco flessibile ma molto stabile e per questo è poco adatto a superfici complesse o curve;

• Satin: una finitura complessa composta dove vi sono due trame ortogonali e alcune fibre passano sopra o sotto alle altre. Ha ottima flessibilità e buone proprietà meccaniche, è più flessibile del twill poiché ha meno intrecci, per cui la resistenza è minore;

Il Titolo

Il titolo è una classificazione utilizzata soprattutto nella commercializzazione delle fibre ed è indicato con il codice TEX. 1 Tex indica il peso (in grammi) di una striscia di materiale larga 1 metro e lunga 1 chilometro (quindi 1000m2 di superficie). E’ l’espressione della densità del materiale. Più basso è il Tex più leggero è il composito.

Tipologia costruttiva

Inoltre, i telai in fibra di carbonio si dividono sulla base delle metodologie di produzione adottate. Le più usate sono il full carbon e il monoscocca.

Il full carbon indica l’assemblaggio di tubi in composito, che vengono tagliati a misura e poi collegati tra loro con fasciature di pelli impregnate di resina. Il telaio viene poi reso solido con un trattamento ad alta temperatura che lo rende un sol pezzo. Il vantaggio è nei costi minori, maggiore facilità di produzione e la possibilità di realizzare telai su misura modificando la lunghezza dei tubi. Il peso però è maggiore e la congiunzione tra i tubi deve essere fatta a regola d’arte poiché è molto stressata.

Il monoscocca invece prevede la realizzazione di uno stampo in metallo che rappresenta il negativo del telaio. All’interno dei vuoti si dispongono delle pelli pre impregnate a freddo di resina formando più strati. Questo processo è definito layup. Una volta disposte le pelli lo stampo si chiude e viene aspirata tutta l’aria, realizzando un sottovuoto che spinge le pelli a compattarsi sulle pareti dello stampo. Lo stampo viene poi mandato in autoclave, dove l’elevata temperatura fa indurire la resina e l’alta pressione fa fuoriuscire le bolle d’aria rimaste. Il prodotto finito è un telaio compatto senza congiunzioni. Lo svantaggio sta nell’elevato costo progettuale e realizzativo dello stampo, che è giustificato solo nel caso di una produzione industriale.

Conclusioni

Intreccio, HS, modulo, trama, twill, full carbon, insomma il mondo del composito per biciclette non è per nulla facile. Ci sono innumerevoli varianti, che dipendono dall’obiettivo per cui verrà realizzato il telaio: strada, mtb, cicloturismo. Ci auguriamo pertanto, che la prossima volta che entrerete in un negozio alla ricerca di una nuova bicicletta in fibra di carbonio, saprete sicuramente riconoscerne le caratteristiche.