Quali evoluzioni nei compositi?

La lavorazione delle fibre di carbonio ha posto nel passato alcune problematiche per le aziende produttrici: dal momento che le fibre hanno un diametro tra i 5 e i 7 micro metri e possono essere danneggiate durante la lavorazione, i lavoratori nei reparti di produzione devono essere adeguatamente protetti con sistemi di protezione e aspirazione locale.

Mentre in Europa il limite di concentrazione in aria delle fibre è di 10 mg/Nm3 non risulta che produttori orientali rispettino sempre questi limiti, creando di fatto uno svantaggio competitivo e un dumping di prodotto che dovrebbe essere valutato (anche da chi acquista un prodotto finito, nel confronto di prezzo tra un prodotto europeo e uno extra-europeo).

In aggiunta, nel passato, partite di prodotti finiti provenienti da produttori senza scrupoli hanno creato un danno di immagine ai prodotti in materiali compositi. Per questo la serietà dell’azienda produttrice è un elemento chiave in questo tipo di prodotti, unita a una seria analisi del comportamento a fatica del prodotto finito, sia esso un telaio o un componente.

L’evoluzione nella tecnologia dei compositi a base carbonio permette già oggi di progettare dei materiali a vita definita (tipicamente nel mondo delle corse automobilistiche), permettendo di ridurre ulteriormente i pesi. Questo ha portato, per esempio nel mondo aeronautico, all’utilizzo massiccio di compositi a base carbonio (oltre il 50% del Boing 787 e una significativa parte dell’Airbus A380 sono in fibre di carbonio). Ma soprattutto l’evoluzione impressionante nei nanocompositi sta permettendo applicazioni inimmaginabili...

Quindi, se oggi possiamo utilizzare sulla nostra bicicletta componenti in fibra di carbonio quali piega manubrio, forcella, pedaliere, reggisella, sella e naturalmente telai completi ad alte prestazioni (e bassi pesi), non è difficile prevedere un futuro ancora più “composito” per la bicicletta che verrà.

Quali caratteristiche possiede un composito a base di fibra di carbonio?

Un composito a base di fibra di carbonio ben progettato può sfruttare una bassa densità unita a un’ottima resistenza meccanica del materiale al fine di minimizzare il peso complessivo nel manufatto (telaio o componente).
È necessaria da parte del costruttore una definizione del comportamento a fatica del componente finale, elemento chiave per il successo commerciale dei materiali compositi.

Come si produce un telaio per bicicletta in compositi di fibre di carbonio?

La produzione di un telaio monoscocca o di un altro componente per bicicletta in compositi a base di fibre di carbonio richiede alcune fasi chiave che seguono oggi una progettazione realizzata al computer con programmi di disegno tridimensionale e calcolo strutturale. Il progetto definisce il numero, la posizione e l’orientamento delle pezze di carbonio, a seconda degli strati da realizzare, tramite CAD-CAM e sistemi di taglio laser.

Il processo di produzione vero e proprio inizia con la preparazione, pulizia e stabilizzazione dello stampo (realizzato in due gusci) che accoglierà il materiale composito. Si tratta di una delle parti più costose del processo di produzione.

Quindi inizia l’applicazione degli strati di pezze. Dal momento che l’allungamento sotto carico dei compositi in fibre di carbonio è ridotto (circa 1% rispetto al 10-12% di acciaio e alluminio) l’orientamento delle fibre è essenziale per creare telai a elevata rigidità laterale ma limitata rigidità verticale. Così come è essenziale nel posizionamento delle pezze evitare cavità ove si possa intrappolare aria (che danneggerebbe irreparabilmente il telaio): servono mani esperte per lavorare questo materiale specialmente nelle zone con forte curvatura.

Il componente o il telaio finito nello stampo viene immesso in autoclave per il processo finale di polimerizzazione del composito: a una prima fase sotto vuoto, con riscaldamenti graduali sino a circa 70°C segue un ciclo di pressurizzazione (di circa due ore) sino a 6-7 bar di pressione e 120-130°C per poi concludere con una fase di rilascio controllato e stabilizzazione.

Il telaio o il componente progettato esce dall’autoclave pronto per le fasi di finitura estetica e verniciatura.

Chi ha inventato la fibra di carbonio?

Nel 1958 Roger Bacon crea le prime fibre ad alte prestazioni (ma a basso contenuto di carbonio, intorno al 20%) nei laboratori della Union Carbide di Cleveland, Ohio, USA.

All’inizio degli anni ‘60 viene creata la prima fibra partendo da PAN a elevato contenuto di carbonio (55% circa).

Nel 1963 un brevetto del Ministero della Difesa britannico apre la strada per la realizzazione di fibre di carbonio ad alte prestazioni meccaniche concedendo a tre aziende del Regno Unito l’utilizzo di tale brevetto: Morganite, Rolls-Royce e Courtaulds.

La prima azienda abbandonerà il mercato rapidamente, la Rolls-Royce fallirà l’importante applicazione sui motori per aerei e verrà nazionalizzata agli inizi degli anni ‘70, Courtaulds si specializzerà nei prodotti sportivi, stringendo una partnership con la giapponese Mitsubishi.

Oggi fornitori quali Mitsubishi, Soficar, Sakai Ovex o Toray detengono ampie quote di mercato nella fornitura di fibre di carbonio che vengono consegnate sul mercato in pellet, in filamenti o, specificatamente per l’industria ciclistica, in prepreg cioè in strutture pre-orientate (panni o pezze) di fibre legate con una resina epossidica (un rapporto standard resina/fibre è nell’ordine del 30/70) pronte per l’utilizzo.

Che cos’è la fibra di carbonio?

Per fibra di carbonio si intende un materiale carbonioso fibroso (micro-grafite) dotato di una micro struttura cristallina prodotta a partire alternativamente da:

a) una resina acrilica (resina di poliacrilonitrile o PAN) sottoposta dapprima a processi di filatura, poi a processi termici di ossidazione, carbonizzazione e grafitizzazione;

b) pece di catrame di carbon fossile o pece di petrolio sottoposta a processi termici controllati di ossidazione, carbonizzazione e grafitizzazione.

Per applicazioni sportive, quali tubazioni o telai per bicicletta, le fibre prodotte da PAN costituiscono oggi la maggioranza della fornitura sul mercato.

Unendo le fibre di carbonio a una matrice (in genere una resina epossidica che funge da legante per le fibre) si realizzano materiali compositi di elevata resistenza meccanica, bassa densità, ottima resistenza alla corrosione chimica. Materiali che possono essere progettati e testati prima della messa in produzione tramite modelli fisico-matematici per ottimizzare la resistenza variando gli spessori o gli orientamenti delle fibre.