Bici in carbonio: la fibra dei ciclisti
MENU

Bici in carbonio: la fibra dei ciclisti

Bikelife, Materiali • di

Una bicicletta da corsa in carbonio, un lusso per pochi? (Fonte: carbonfibergear.com)

Una bicicletta da corsa in carbonio, un lusso per pochi? (Fonte: carbonfibergear.com)


Accontentiamo i lettori più esigenti e sveliamo i segreti del materiale del momento: la fibra di carbonio. Nel ciclismo, soprattutto a livello professionistico, sembra che non esistano alternative e che si tratti del materiale perfetto, anche se il costo non è alla portata di tutti.

Leggeri come piume

Deragliatore posteriore Campagnolo Super record EPS. Qui la fibra di carbonio è usata per limare grammi al peso complessivo della bici.

Deragliatore posteriore Campagnolo Super record EPS. Qui la fibra di carbonio è usata per limare grammi al peso complessivo della bici.

Provate a cercare su You Tube uno spezzone tratto da un giro d’Italia di qualche anno fa (esempio: la vittoria di Pantani del 1998) e poi date un’occhiata alla competizione rosa di quest’anno. Cosa salta subito all’occhio? Le biciclette dei corridori hanno forme diverse, le forcelle sono dritte, i cerchi hanno profili altri, i pendenti posteriori partono dal tubo piantone seguendo traiettorie strane, i movimenti centrali sono più grandi. Insomma, le biciclette sono cambiate. La ricerca della leggerezza a tutti i costi (ciò che pesa meno è più facile da “portare su”) ha condotto i progettisti della case ciclistiche verso un materiale nuovo, dalle capacità tecniche impensabili: la fibra di carbonio.

Cos’è e come viene utilizzato

Schema di produzione della fibra di carbonio. (Fonte: Università Arrheads)

Schema di produzione della fibra di carbonio. (Fonte: Università Arrheads)


La fibra di carbonio (il cui nome tecnico è “composito a matrice polimerica e possidica con fibre di carbonio”) è un materiale composito, ovvero formato da più materiali base, sintetizzato per la prima volta dallo scienziato americano Bacon all’inizio degli anni ’60.

I materiali che lo compongono sono due. Il primo è una matrice, solitamente in resina epossidica, che ha il compito di tenere legate assieme le fibre di cabonio. Si sceglie questo tipo di matrice perché ha buone resistenze meccaniche ed è soggetta a minori fenomeni di ritiro, anche se sono più costose delle matrici in poliestere. Il secondo è la fibra di carbonio vera e propria, un polimero prodotto direttamente da fibre organiche oppure dai residui della distillazione del petrolio e del catrame. Una singola fibra è composta da un numero determinato di filamenti di carbonio, indicati con un numero “K”, che intende quante migliaia di filamenti ci sono in un’unica fibra. Un carbonio definito 3K intende tremila filamenti di carbonio per ogni fibra. Queste fibre iniziali vengono sottoposte a un processo di stabilizzazione a 200°C in autoclave, dopodiché subiscono un trattamento successivo per conferire le caratteristiche meccaniche desiderate. Se si desidera un materiale che abbia alta resistenza meccanica, si sottopongono le fibre stabilizzate a un processo di carbonizzazione (dove si arricchiscono di carbonio) a 1500°C. Se invece si predilige il modulo (cioè la resistenza elastica a scapito di una maggior fragilità), oltre alla carbonizzazione si effettua una grafitizzazione a temperature più alte di 1800°C. Ciò che si ottiene è un materiale formato da numerose fibre di carbonio tenute congiunte dalla resina epossidica fino a creare una sorta di tessuto, con dei filamenti unidirezionali che gli conferiscono il caratteristico aspetto. Questi tessuti vengono poi utilizzati per la costruzione dei telai, sommando tra loro vari tessuti per ottenere gli spessori desiderati.

Se un telaista di bici in acciaio partiva con la misurazione del ciclista e poi ordinava i tubi nell’acciaio prediletto, per tagliarli, sgolarli e sagomarli a misura, nel caso della fibra di carbonio il procedimento è stravolto. Gli ingegneri delle case ciclistiche studiano un modello del telaio da realizzare, di solito tridimensionale sviluppato con software di disegno appositi. Da questo modello i disegnatori studiano lo stampo, ovvero la matrice “femmina” dalla quale nascerà il telaio. Lo stampo viene realizzato in officina (tradizionalmente è in acciaio). All’interno dello stampo vengono collocati i vari fogli di fibra, intrecciati per ottenere le caratteristiche di resistenza desiderate. Lo stampo con applicato il foglio di tessuto viene poi messo in forno (termine tecnico autoclave) a temperatura e pressione definita per far solidificare le fibre e farle aderire alle pareti dello stampo.

Caratteristiche del carbonio

Macchina per prova a flessione di una lastra in fibra di carbonio.

Macchina per prova a flessione di una lastra in fibra di carbonio.


Il carbonio ha incredibili proprietà meccaniche, che lo hanno reso così celebre:
Densità: intende il peso di un materiale per un’unità di volume. Tanto per confrontare, qui elenchiamo le densità di tre materiali princìpi per la costruzione di telai per biciclette: fibra di carbonio, alluminio e acciaio. Se dovessimo fare una classifica, questa sarebbe: fibra di carbonio: 1800 kg/m3, alluminio: 2300 kg/m3, acciaio: 7850 kg/m3. Come si può vedere la fibra di carbonio è la più leggera, perché ha una densità molto bassa. Infatti un metro cubo (ovvero un cubo di 1m di altezza x 1m di larghezza x 1m di lunghezza) di carbonio pesa 1800kg, contro i 7850 dell’acciaio!
Resistenza a trazione: già citata nell’articolo sull’acciaio, è una caratteristica principe per un materiale destinato alla costruzione di telai, poiché intende la capacità di resistere a una forza che lo “tiri”. La resistenza a trazione del carbonio è di 5000 MPa, quella dell’acciaio 540!In pratica il carbonio riesce ad essere dieci volte più resistente dell’acciaio pesando quasi 1/5;
Rigidezza: la capacità di resistere a forze esterne che ne provocano una deformazione. Questa è una caratteristica importante e da tenere sotto controllo, poiché molto spesso materiali molto rigidi sono anche fragili, nel senso che si rompono con facilità, poiché la differenza (detta snervamento) tra limite elastico (cioè la massima forza applicabile senza ottenere deformazione permanente) e il carico di rottura (cioè la forza che induce un rottura) è molto bassa. Una sorta di “non mi piego ma mi spezzo”. Questa rigidità è ottenuta “mixando” le caratteristiche di alto modulo e di alta resistenza della fibra. Un telaio esclusivamente in alto modulo (tecnicamente indicato come HM) non sarebbe proponibile sul mercato, poiché avrebbe un’elevatissima resistenza meccanica ma sarebbe parecchio fragile, quindi pericoloso;
Alta resistenza a fatica: ovvero il fenomeno di una forza che agisce in maniera ciclica e ripetuta su un materiale, come la forza che un ciclista imprime su un pedale, che si ripete a ogni rivoluzione. Una forza come quella non provocherebbe alcun danno al telaio ma se viene ripetuta per un elevato numero di cicli può condurre all’affaticamento del materiale, abbassando la sezione resistente e quindi producendo una rottura. La fibra di carbonio si posiziona come il miglior materiale per resistenza a fatica, superiore all’acciaio e all’alluminio;
Resistenza all’invecchiamento: tutti i materiali invecchiano, niente dura in eterno. L’invecchiamento è dovuto dall’uso, dall’usura, dall’esposizione agli agenti atmosferici, dai carichi che vengono applicati. La fibra ha una notevole resistenza all’invecchiamento, che lo rende un materiale adatto a costruire macchine destinate a lunghi cicli di lavoro. Da notare però che la fibra di carbonio subisce notevolmente l’invecchiamento causato dai raggi solari UV, per questo la verniciatura protettiva è molto curata, altrimenti si avrebbe un telaio che invecchia stando al sole!;
Resistenza alla corrosione: l’umidità presente nell’aria si lega al materiale, generando una corrosione (di tipo dielettrico) che usura il materiale e ne riducendo lo spessore nel punto in cui si è “aggrappata”. Per questo i metalli vengono verniciati, per interrompere la continuità elettrica della superficie e rendere impossibile l’ossidazione (che comunemente viene chiamata ruggine). La fibra di carbonio resiste alla corrosione atmosferica meglio dei metalli;
Smorzamento delle vibrazioni: le fibre di carbonio sono in grado di attutire le vibrazioni trasmesse dal contatto tra la ruota anteriore e il terreno, che si riflettono poi sul manubrio e vanno ad agire sulle braccia, affaticandole. In campo ciclistico, come potete immaginare, questa qualità è molto apprezzata.

I punti deboli

Componente in composito distrutto durante la prova. (Fonte: audiboost.com)

Componente in composito distrutto durante la prova. (Fonte: audiboost.com)


Il paragrafo che abbiamo appena letto fa subito pensare che il carbonio sia il materiale del futuro, resistente come l’acciaio e leggero come l’aria. Ma anche questo magnifico materiale ha dei punti deboli.
Il primo è il costo di produzione. La tecnologia impiegata per la costruzione di un telaio in carbonio è molto complessa e costosa. Dietro un telaio in carbonio c’è un’importante progettazione, poiché realizzare uno stampo è un’operazione che impegna uffici tecnici e officine specializzate, così come la complessa procedura di costruzione fa aumentare di molto i costi di produzione di un telaio e ne rende più complessa la messa sul mercato. Infatti le ditte produttrici hanno bisogno di vendere molti telai prima di riuscire a rientrare dagli ingenti investimenti che la sua realizzazione richiede. Potrebbero volerci mesi, se non anni e questo è impensabile perché taglierebbe la ditta fuori dal mercato e dalla sua innovazione continua. Questo problema non esiste con i telai in alluminio o in acciaio, la cui tecnologia di produzione è molto più flessibile. E’ facile, basta fare un giro sui vari siti, vedere che le case ciclistiche offrono la stessa tipologia di bici, con il medesimo montaggio tecnico, sia con il telaio in carbonio che in alluminio. In questo modo diminuiscono i costi di progettazione e il rientro economico è più veloce.

Altro problema del carbonio che lo rende materiale poco ambito dai biker con modeste disponibilità economiche è la rottura di schianto. Facciamo un esempio:
due amici stanno percorrendo un single track in mtb. Uno con suo nuovo telaio in carbonio, l’altro con la sua bici in alluminio. Quello davanti inchioda, l’amico dietro non reagisce in tempo. Risultato: una brutta caduta per entrambi. Ora analizziamo i due telai. Quello in alluminio non presenta colpi, crepe o brutti segni. Il suo proprietario può stare tranquillo, perché un telaio in alluminio (e stesso discorso vale per l’acciaio), se non presenta deformazioni, è inalterato in tutta la sua struttura. Ora diamo un’occhiata al telaio in carbonio del primo ragazzo. All’esterno è tutto perfetto, magari c’è un graffio sulla vernice, ma a parte questo non c’è nessun problema apparente. Tutto a posto? Non proprio, perché potrebbe essersi danneggiata una lamina interna (uno dei famosi strati sovrapposti creati per ottenere lo spessore desiderato, ricordate?). Questa piccola crepa interna sarà la chiave di volta di una deformazione che aumenterà a ogni carico applicato, si allargherà a ogni uscita, fino a rompersi di schianto, ovvero senza dare nessun preavviso.

Concludendo

Se il vostro obiettivo è andare veloce e vincere gare su strada o su mtb, una bici in composito è ciò che fa per voi. (Fonte: bmwclub.ru)

Se il vostro obiettivo è andare veloce e vincere gare su strada o su mtb, una bici in composito è ciò che fa per voi. (Fonte: bmwclub.ru)


La fibra di carbonio è un materiale spettacolare, leggero, resistente, competitivo, che ha rivoluzionato il mondo delle corse su bicicletta. E’ fatto per andare veloce e forte. La mia domanda, come sempre è: siete sicuri che sia ciò che fa per voi? E’ inutile acquistare un telaio in carbonio sopraffino e poi equipaggiarlo con componenti da amatore (così come è vero il contrario, ovvero montare il top di gamma su un telaio da supermercato). Se fossimo tutti atleti di elite del cross-country o pro cyclist di una squadra da sponsor a sei zeri allora direi di sì, perché è il materiale adatto per andare forte. Ma siamo comuni mortali e, come dice un mio amico biker, “puoi avere tutto il carbonio del mondo ma devi essere capace di portarlo su”.

Corsi di meccanica

corsi-meccanica Se il tema ti interessa e desideri approfondirlo, ti potrebbe interessare uno dei corsi di Meccanica Base o Meccanica Avanzata di Bikeitalia.it

Articoli correlati

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *