Affidabilità dei telai in fibra di carbonio

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Affidabilità e resistenza dei telai da bicicletta in fibra di carbonio.

I telai per biciclette in fibra di carbonio sono affidabili? Durano nel tempo? Sono migliori? Scopritelo in questo articolo!


Con il gran numero di telai per biciclette in fibra di carbonio che sono ormai sul mercato, si legge spesso anche di rotture più o meno spettacolari e i ciclisti, giustamente, si domandano se questo materiale sia davvero affidabile e resistente come viene pubblicizzato.
Vediamo di scoprirlo!

Cos'è un telaio in fibra di carbonio?

Partiamo da una base di scienza dei materiali: il telaio in carbonio non esiste.
Esiste il telaio in materiale composito costituito da resina e fibra di carbonio.
Il composito si comporta come un cemento armato: la resina è il cemento e le fibre di carbonio formano l'armatura.

Un telaio in composito di carbonio è resistente?

Esattamente come per il cemento armato, il corretto bilanciamento dei due elementi (resina e fibre di carbonio), la formulazione chimica della resina, la disposizione delle fibre, la disposizione della resina, l'assenza di bolle d'aria e la corretta progettazione e manifattura contribuiscono a creare un telaio resistente.
Quando tutto il processo è fatto a regola d'arte, il telaio in composito di carbonio è resistentissimo e non risente praticamente dell'effetto di fatica che è implicto in ogni altro materiale metallico.


Analizziamo i problemi dei telai in carbonio

Il problema delle fibre

Poniamo adesso il caso di un produttore che abbia curato maniacalmente le fasi di cui sopra. C'è un problema che riguarda TUTTE le aziende: la variabili nei lotti delle fibre di carbonio.
Questo è un grosso problema per chiunque costruisca manufatti in carbonio: le fibre acquistate dai produttori hanno caratteristiche intrinseche che variano notevolmente da lotto a lotto e questo può compromettere prodotti curati in ogni dettaglio.
Per evitare questo, i produttori seri sottopongono le fibre a periodici test, scartando i lotti non adeguati.

Il problema del peso su area ridotta

I compositi in fibra di carbonio possiedono un elevato rapporto peso/resistenza, ma sono altamente suscettibili ai carichi elevati applicati su una piccola area, come avviene ad esempio nel caso di un impatto o urto.
Una volta compromessa l'integrità del composito, la matrice inizia a sgretolarsi e deve essere riparata o sostituita.

Il decadimento del materiale

In assenza di impatti, la matrice epossidica può peggiorare con l'uso, ma questo processo richiede molto tempo. Questa, alla lunga, formerà naturalmente delle piccole crepe e perderà le proprietà leganti con le fibre di carbonio.
Possiamo quantificare questo lasso di tempo? No, perché dipende dalle sollecitazioni subite dal telaio, dal tempo di utilizzo e dalle caratteristiche della resina impiegata.

I difetti nei telai in carbonio

Nel caso dei compositi in carbonio, la maggior parte dei difetti sono nascosti alla vista e appaiono in forma di vuoti e crepe che si verificano tra gli strati di fibra di carbonio.
Questi si sviluppano come un sottoprodotto della laminazione a mano, in quanto centinaia di pezzi di fibra di carbonio sono messi insieme per creare un telaio composito.
È un processo che offre un'enorme libertà di scolpire il prodotto finale, ma è intrinsecamente soggetto a difetti.

Nella disposizione delle fibre, l'aria intrappolata tra gli strati crea vuoti e/o crepe, difetti insidiosi che spesso non vengono rilevati.
Sotto carico e nel tempo, questi difetti inevitabilmente portano alla de-laminazione e ad un qualche tipo di guasto strutturale, specialmente se il difetto si verifica in una zona sottoposta ad elevato carico.

Per ispezionare la manifattura di un telaio composito bisogna impiegare la tomografia a raggi X e l'ispezione a ultrasuoni: processi costosi e lunghi che vengono impiegati abitualmente dall'industria aerospaziale.
L'industria delle biciclette, al contrario, ha poco tempo per lo stesso livello di ispezione, specialmente quando si tratta di biciclette prodotte in massa. Questo però non vuol dire che l'industria sia negligente. I materiali di partenza si sono evoluti negli ultimi due decenni e i processi produttivi sono stati semplificati per ridurre il rischio di difetti. Allo stesso tempo, le procedure di controllo della qualità sono diventate più rigorose, poiché alcune aziende, come Canyon, eseguono tomografia a raggi X su ogni forcella venduta.

L'influenza del prezzo

Il valore di un telaio di carbonio ad alto o basso costo viene normalmente espresso in termini di risparmio di peso e miglioramento delle prestazioni.
Ma il prezzo ha un effetto sulla longevità del telaio?
Telai dal prezzo elevato durano più a lungo di quelli a basso costo?

Una grossa parte del costo è dato dalla quantità e dalla precisione di disposizione delle pelli composte da fibra di carbonio: in un telaio a basso costo ci sono alcuni strati spessi, mentre in un telaio di alto prezzo ci sono strati sottili disposti in numero maggiore.
Inoltre la differenza è percepibile nella disposizione della resina: nei telai a basso costo non verrà verificato che questa si disponga in modo da colmare i vuoti ed evitare quindi l'aria inrappolata.

Pertanto, un telaio dal prezzo elevato è indubbiamente migliore rispetto alle proposte più economiche.

La richiesta del mercato

Il problema dei telai in carbonio che si rompono è anche dovuto alla richiesta degli utilizzatori che vogliono un prodotto dal peso sempre più ridotto.
Per ottenerlo bisogna sacrificare altri parametri che ne determinano la robustezza e la longevità.
I telai leggeri hanno un rischio più elevato di danneggiarsi in caso d'incidente.

Vediamo ora quali sono gli sforzi dei produttori di telai per garantire l'affidabilità dei prodotti

La rottura controllata

I produttori seri sottopongono i propri telai a stress test molto accurati e valutano anche i parametri di rottura. Prevedere la rottura di un pezzo significa anche lavorare affinché questa non sia catastrofica per l'utilizzatore, ma avvenga in sicurezza.
L'utilizzo di materiali aggiuntivi in alcuni punti  del telaio sottoposto a notevoli sollecitazioni e, quindi, a rischio rottura, consente una "rottura controllata" nei casi più gravi.
Anche questo fa la differenza tra aziende.

Migliorare la resistenza dei telai in fibra di carbonio

Le innovazioni in questo campo ci sono, prova evidente è l'impiego di questi telai nel mondo MTB, dove, per ovvie ragioni, è richiesta una forte resistenza agli urti.
I progressi avvengono soprattutto dal punto di vista chimico, nel miglioramento delle resine.
Le fibre di carbonio, invece, sono sostanzialmente identiche a quelle di 30 anni fa.

Obbiettivo dell'industria è quello di superare i problemi dovuti agli impatti su piccole aree. Per fare ciò si stanno studiando resine basate su nano-componenti per aumentare l'infiltrazione tra le fibre e, di conseguenza, le caratteristiche di resistenza e flessibilità del composito finito.

Cosa aspettarci nel futuro

I telai in composito di fibre di carbonio miglioreranno grazie a più accurati processi industriali ed a resine diversificate. Si punterà a superare i problemi già noti per dare ancora vita a questo tipo di prodotto che ha visto molti investimenti strutturali per i produttori.
Tuttavia nuovi materiali sono già in fase di ricerca e test, ma una cosa è certa: i telai futuri saranno sempre basati su compositi.




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