I telai in carbonio sono attualmente i più diffusi nel settore bici: questo materiale permette di unire leggerezza e rigidità garantendo ottime prestazioni nel tempo.
Innanzitutto è bene definire in modo corretto questo materiale. Esso è un composito in quanto costituito dai seguenti materiali di base che differiscono nella forma e nella composizione chimica e sono insolubili uno nell’altro: le fibre di carbonio e una resina epossidica.
La fibra di carbonio è un polimero ricavato dal petrolio o da un materiale polimerico (PAN, poliacrilonitrile) attraverso un processo ad alta temperatura (carbonizzazione e grafitizzazione). Tali fibre sono costituite da soli atomi di carbonio, si parla infatti di struttura grafitica pressoché pura, continua e regolare lungo tutta la fibra. Le caratteristiche principali sono le seguenti:
- Ottima resistenza meccanica (3100-4500 MPa) se le fibre vengono sollecitate nella direzione in cui si sviluppa il polimero
- Alto modulo elastico (220-800 GPa)
- Bassa densità (1.7-2.1 g/cm3)
- Alto costo
- Bassa tenacità
In base alle caratteristiche meccaniche, le fibre di carbonio vengono classificate con delle sigle:
- SM (Standard Modulus): avente modulo elastico minore di 250 GPa, detta anche HS High Strength/ High Stain
- IM (Intermediate Modulus): avente modulo elastico tra 250 GPa e 320 GPa
- HM (High Modulus): avente modulo elastico tra 320 GPa e 440 GPa
- UHM (Ultra High Modulus): avente modulo elastico maggiore di 440 GPa
Maggiore è il modulo, maggiori sono la resistenza alle sollecitazioni e la rigidezza. Un telaio con un modulo più alto fletterà meno, ma sarà meno deformabile e quindi più rigido trasmettendo meglio l’energia impressa dal ciclista. Lo svantaggio è che sarà più fragile data la notevole rigidità. Infatti la deformazione a rottura della fibra di carbonio è molto bassa (per esempio l’acciaio ha una deformazione del 20% a rottura mentre il carbonio del 2% a rottura). Ciò implica che un telaio con modulo elevato non si deforma ma si spezza quando arriva al carico di rottura; l’acciaio invece si deforma fino al 20% prima di rompersi.
La resina epossidica (detta matrice) è invece un polimero termoindurente con reazione a freddo. Essa ha la funzione di collante tra le fibre di carbonio. Le caratteristiche principali sono le seguenti:
- Buona resistenza meccanica a trazione (55-130 MPa)
- Basso modulo elastico (2.8-4.2 GPa)
- Bassa densità (1.2-1.3 g/cm3)
- Alto costo
- Buona adesione alle fibre di carbonio
I compositi a matrice polimerica epossidica con fibre di carbonio hanno le seguenti proprietà:
- Bassa densità (inferiore del 40% rispetto all’alluminio)
- Alta resistenza (paragonabile agli acciai ad alta resistenza)
- Alta rigidità (come le leghe di titanio, ma con densità decisamente inferiori)
- Buona resistenza a fatica
- Buona resistenza al creep (scorrimento a caldo)
- Basso coefficiente di attrito
- Buona resistenza all’invecchiamento
- Alta conducibilità termica (più alta dell’alluminio, inferiore al rame)
- Alta interferenza elettromagnetica (con effetto schermante)
Nel settore del ciclismo l’utilizzo del tipo di fibra dipende dall’uso della bicicletta:
- Mtb, gravel, ciclocross: fibre HS in quanto sono le più deformabili e quindi, assorbendo meglio le vibrazioni, garantiscono un miglior comfort in sella
- Bici da corsa: fibre HM in quanto sono quelle che raggiungono elevata resistenza meccanica. Il telaio risulterà quindi rigido e reattivo, minimizzando la dispersione di energia. Di contro, il comfort di pedalata è ridotto.
ll filamento base di carbonio è molto sottile. È quindi necessario accoppiarlo ad altri filamenti dando luogo al cosiddetto tow per poterlo lavorare e maneggiare. Le proprietà dei compositi unidirezionali, con fibre disposte tutte nello stesso verso, sono ovviamente anisotrope.
La resistenza del composito è maggiore se lo sforzo è applicato parallelamente alle fibre (a) piuttosto che ortogonalmente (b). Il numero di filamenti che formano il tow è indicato solitamente dalla lettera K, ad esempio 1K indica 1000 fili di carbonio. Un alto numero di K identifica quindi tow più grossi, meno adatti quindi ad essere piegati e ad effettuare particolari con curvature di raggio ridotto. Un K elevato però significa anche un tessuto più spesso e più robusto, quindi richiede meno strati da laminare. 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. Il numero di K ha un senso soltanto quando si parla di tessuti, non di unidirezionale.
L’industria della bici lavora perlopiù con i 1,3,6 e 12K:
- 1K: 1000 fili di carbonio, trama molto fitta, elevata robustezza, minore quantità di resina tra le fibre; è una trama molto pregiata e costosa poiché permette di ottenere elevate caratteristiche meccaniche mantenendo il peso ridotto.
- 3K: 3000 fili di carbonio, trama fitta con caratteristiche meccaniche simili alla 1K ma con peso maggiore.
- 5K: 5000 fili di carbonio, trama mediamente fitta che necessita di più resina per riempire gli interstizi tra un filo e l’altro; la resistenza meccanica è minore e il peso maggiore.
- 12K: 12000 fili di carbonio, trama larga con peso maggiore e caratteristiche meccaniche inferiori della 5K.
Sovrapponendo strati di materiale, con fibre orientate in diverse direzioni, si ottengono i laminati che, se opportunamente progettati, possono raggiungere un comportamento quasi isotropo (uguale in tutte le direzioni). Si definiscono i seguenti tipi di intrecci:
- Twill: Si forma facendo passare uno o più fili alternativamente con due o più fili di trama in modo regolare. Il twill ha una maggiore levigatezza, garantisce proprietà meccaniche maggiori rispetto al Plain nel composito finale (vedi dopo), ha un ottimo drape (capacità di adattarsi ad una forma specifica) ed una grande bagnabilità (capacità di impregnarsi di resina e di creare il minor numero di vuoti). Per contro è un tessuto poco stabile e tende a sfilarsi ed è più complesso da produrre. L’effetto finale è quello di filature disposte a 45°. È una finitura che si adatta bene a superfici curve.
- Plain: è costituito da fili che passano alternativamente sopra e sotto. Questo tipo di tessitura ha dei vantaggi che sono: facilità ed economicità di realizzazione, buona stabilità, una porosità sufficiente ma soprattutto è un tessuto simmetrico. Gli svantaggi sono che ha una scarsa malleabilità e non dà grandi proprietà meccaniche al composito. Pertanto non si adatta a superfici curve.
- Satin: è una versione modificata del twill, con il vantaggio di avere minori intersezioni tra ordito e trama. I vantaggi sono simili a quelli del Twill che supera in quanto a levigatezza e bagnabilità, ma è molto instabile ed il rinforzo, a tessuto finito è asimmetrico. Ovviamente poi per produrlo ci sono costi più elevati.
Infine definiamo il titolo del carbonio, identificato dal codice TEX. Esso rappresenta la densità del materiale, minore è il TEX, maggiore è la leggerezza del composito. 1 TEX indica il peso in grammi di una striscia di composito avente superficie di 1000 m2.
Si sente poi spesso parlare di carbonio T700, T800 e T1000. Questi sono dei nomi commerciali dati alle fibre di carbonio da una delle più grandi aziende produttrici di carbonio, la Toray con sede in Giappone. Queste sigle identificano fibre con diverse caratteristiche meccaniche. Il T700 ha una resistenza a rottura intorno ai 5000 MPa, modulo 230 GPa. Il T800 5500 MPa, modulo 290 GPa. Si arriva al T1000 con una resistenza a rottura di 7000 MPa e modulo 324 GPa.
Sulla base di quanto esposto finora, si comprende quanto la progettazione di un telaio in fibra di carbonio sia complessa, dovendo tenere conto di tutti i parametri sopra esposti. Infine, i telai in fibra di carbonio si differenziano a seconda della tipologia costruttiva: monoscocca e fasciato. Il monoscocca necessita di uno stampo metallico che rappresenta il negativo del telaio. Nei vuoti dello stampo vengono opportunamente disposti i fogli di prepreg formando più strati in quello che è chiamato layup. I prepeg sono delle pelli pre-impregnate a freddo con la resina che aderiscono alle forme dello stampo. Lo stampo viene quindi chiuso in un sacco dove viene realizzato un vuoto spinto. Tale sacco è poi messo in una camera autoclave che permette di raggiungere elevate temperature e pressioni. La temperatura indurisce la resina, la pressione compatta i fogli di prepeg eliminando tutta l’aria. Si ottiene quindi un telaio senza congiunzioni. In questo tipo di processo, la realizzazione di telai su misura è molto costosa dato che bisognerebbe realizzare uno stampo ad hoc in ogni occasione. Le case produttrici hanno quindi standardizzato determinate misure producendo un numero limitato di stampi. In questo caso è il ciclista che si deve adattare alla geometria del telaio, scegliendo la misura che meglio si addice alle sue misure antropometriche.
Per la costruzione dei telai su misura si utilizza quindi una tecnica diversa definita fasciatura o tube-to-tube. Il processo produttivo parte da singoli tubi in composito tagliati e sgolati a misura. Essi vengono poi collegati tra loro con fasciature di pelli impregnate di resina. Il telaio viene poi messo anche in questo caso in un sacco a vuoto e successivamente in forno in autoclave per ottenere un pezzo unico tramite il trattamento ad alta temperatura e pressione. È un processo che richiede una grande competenza dato che la fasciatura viene realizzata a mano e deve essere fatta a regola d’arte per garantire l’integrità del telaio. Le giunzioni sono infatti i punti maggiormente stressati. Un altro vantaggio del telaio fasciato è la migliore accessibilità al pezzo; ciò garantisce un miglior controllo di pressione e temperatura che si traducono in un miglior controllo dello spessore e della posizione delle pelli. Il telaio risulterà quindi più ottimizzato fornendo un miglior feeling alla guida e una riduzione delle difettosità. Lo svantaggio è che si creano delle zone più pesanti del necessario poiché in tali zone si ha una sovrapposizione delle pelli.
Infine un accenno alla durata del telaio in fibra di carbonio. La resina soffre molto l’esposizione ai raggi UV, per questo deve essere protetta con del trasparente protettivo. Pertanto, se il telaio non è grezzo, non ci si deve preoccupare di lasciare la bicicletta esposta alla luce solare. Il carbonio è un materiale fragile, ovvero tollera male gli urti e può presentare dei danneggiamenti non visibili ad occhio nudo a seguito di cadute. Infine, per quanto riguardo il calore, la fibra di carbonio non ha alcun tipo di problema in questo senso, e le resine e le colle tollerano senza problemi temperature di 80°-100°. Si hanno problemi solo oltre i 120°C, temperatura di transizione, in quanto la resina subirebbe un processo di vetrificazione perdendo le sue caratteristiche meccaniche.