Le ricette segrete della Fibra di carbonio

Le bici diventano più leggere e rigide, eppure la fibra di carbonio non è cambiata. Come è possibile? Apparentemente, sta tutto in una ricetta segreta.

Foto Rob Milton.

Quando negli anni '90 sono comparsi i telai monoscocca in fibra di carbonio, l'effetto è stato rivoluzionario. Le biciclette sono diventate più rigide, più leggere e potevano essere realizzate con geometrie che non erano possibili quando si usava il metallo. Ogni anno, da allora, i produttori hanno continuato a trovare miglioramenti nelle prestazioni, limando i grammi, aumentando la rigidità e aggiungendo velocità. Sarebbe logico supporre che tali aumenti delle prestazioni siano il risultato del continuo progresso nella materia prima, ma non è così.

"Il fatto è che nessuno ha idea di cosa stia succedendo a porte chiuse a Toray, Hexcel e Mitsubishi, dove hanno sede i tre principali produttori di materie prime", afferma Anders Annerstedt, co-fondatore di Rolo, produttore di carbonio in Lussemburgo. “La fibra di carbonio può essere prodotta utilizzando il metodo PAN (da poliacrilonitrile) oppure Pitch (da pece isotropica). Tutto ciò è rimasto invariato nei secoli dei secoli. Questa materia prima è ormai un libro aperto per tutti".

Ma c'è qualcosa che va oltre il metodo PAN e a strati che permettono di ottenere la fibra di carbonio come la conosciamo. Annerstedt afferma che la fibra di carbonio utilizzata dai produttori è effettivamente la stessa, da sempre. Quindi i miglioramenti nelle bici possono essere attribuiti a nuovi modi di produrre?

"In realtà, le tecniche di costruzione non sono cambiate di molto dalla prima era dei telai in carbonio", afferma Joffrey Renaud, capo ingegnere di Argon 18. Se è così, in che modo le bici continuano a diventare più leggere, più rigide e più veloci? È un gioco di prestigio nei test oppure è tutto fumo in funzione del marketing? Per certi versi potrebbe esserci un fondo di verità in queste considerazioni, ma i miglioramenti derivano principalmente da aspetti tecnici nella costruzione del telaio, come l'efficienza della lavorazione e il controllo di qualità. Graham Shrive di Factor Bikes lo spiega piuttosto bene: "Costruire biciclette è molto simile a cuocere torte – c'è tanta arte quanto altrettanta scienza. Non è solo questione di ingredienti, contano di più la ricetta e l'abilità dello chef".

Missione controllo

I marchi di bici sono in grado di fare progressi perché la ricetta per costruire un telaio ha molteplici fattori che entrano in gioco. Uno dei principali aspetti di differenziazione è legato a quanto controllo un marchio può esercitare sui processi di lavorazione all'interno della fabbrica che fa i telai. I produttori di nicchia che personalizzano le loro creazioni, come Rolo per esempio, sono avvantaggiati in questo caso perché il prezzo non è un fattore limitante e tutto è fatto internamente su piccola scala. Ciò significa che la qualità dei materiali e i processi di lavorazione possono essere controllati in modo rigoroso. Rolo costruisce usando una tecnica modulare monoscocca, per cui il triangolo principale viene modellato in un unico pezzo usando opportune sezioni pre-preg (cioè fogli di fibra di carbonio "preimpregnati" con resina), mentre i foderi vengono incollati successivamente.

"Siamo in grado di specificare quale materiale vogliamo e con quale resina lo vogliamo impregnare, in modo da poter creare le caratteristiche più adatte in ogni area del telaio", afferma Annerstedt. “Tutto ciò è molto diverso rispetto a un marchio che subappalta la costruzione di un telaio a una grande fabbrica in Asia. Andranno lì con i loro disegni CAD, le specifiche relative a peso e rigidità, ma la fabbrica avrà i propri compositi e processi di lavorazione, che potranno utilizzare indipendentemente dal fatto che il marchio li voglia o meno”.

In pratica, alcuni marchi potrebbero avere ben poche informazioni sul metodo e sulla qualità costruttiva delle loro bici.

Tralasciando il discorso di Rolo, ci sono produttori come Giant e Factor che producono su scala molto più ampia, ma possiedono le loro fabbriche.

"Dalla progettazione alla produzione tutto avviene internamente a Giant", afferma il responsabile dei processi aziendali prestazionali, Erik Klemm. “Ciò significa che gli ingegneri possono letteralmente scendere le scale e avere una discussione faccia a faccia con i dirigenti della fabbrica. Il direttore della fabbrica potrebbe dire che l'ingegnere deve cambiare il suo progetto, come l'ingegnere potrebbe controbattere che il suggerimento di modificare la resina o il carbonio è appropriato, perché abbiamo la capacità di produrre in proprio le mescole di composito. Avere tutti gli elementi di produzione e lavorazione sotto lo stesso tetto rende più superabili i vari ostacoli pratici che si verificano in ogni momento. Inoltre, entrambi hanno la stessa agenda in quanto lavorano per la medesima azienda".

Alla fine Klemm afferma che tutto ciò si traduce in un livello più elevato di raffinatezza in termini di utilizzo del miglior materiale possibile, potenzialmente equivalente a un design dalle prestazioni migliori.

Shrive di Factor afferma che possedere la propria fabbrica consente al marchio di separare i metodi di costruzione e l'uso del materiale dal costo finale del telaio."Utilizziamo una tecnica che impiega mandrini in EPS impregnati di lattice, e che creano una forma negativa all'interno del telaio in grado di consolidare molto bene la stratificazione del carbonio", afferma Shrive, alludendo al modo in cui la forma negativa schiaccia i pezzi pre-preg in fibra di carbonio contro l'interno di uno stampo a forma di bici grazie alla pressione e al calore. Ciò consente di evitare indebolimenti dovuti alla formazione di sacche d'aria - o vuoti –, e permette di espellere la resina in eccesso, il tutto assicurandosi che i pezzi di carbonio siano posizionati uniformemente, senza pieghe. Un processo come questo, in genere, crea un telaio più leggero, più forte e potenzialmente più rigido.

"Non è nuovo o sorprendente, ma un marchio che specifica che il suo produttore utilizza questo metodo potrebbe aggiungere un ulteriore 5% sul costo di costruzione. O influire sui margini di profitto a tal punto da spingere lo stesso marchio a prendere in considerazione altri metodi, che potrebbero influire fino a rivelarsi dannosi per la performance del telaio”. Il marchio avrebbe pubblicizzato la bici ottenuta come migliore della precedente, trascurando di menzionare che poteva essere ulteriormente migliorata, se in ballo non ci fosse stato un minor guadagno.

Questione di fibra

Anche per le aziende che hanno il controllo su come fabbricano le loro biciclette, il processo può essere fatto meglio oppure peggio in una miriade di modi. "Impossibile farsi un'idea precisa: le variabili sono inesauribili", afferma Annerstedt. “Bisogna posare il carbonio con estrema attenzione (i pezzi pre-preg vengono inseriti ordinatamente nello stampo), in modo che il carbonio scivoli leggermente nello stampo quando lo si chiude. Le camere d'aria (usate per forzare il pre-preg sui lati dello stampo cavo) possono espandersi in modo non uniforme, creando pieghe e punti di stress. Una parte potrebbe essere realizzata separatamente e poi inserita nello stampo, ma il calore della mano dell'artigiano potrebbe significare che il pezzo viene già parzialmente polimerizzato, quindi non polimerizza più come il resto della struttura nell'autoclave.

“Il carbonio ad alto modulo rende tutto ancora più preciso. È meno 'drappeggiabile', quindi più difficile da posare su forme complesse. Inoltre, bisogna pettinare i trefoli alla fine di ogni pezzo affinché si consolidi con gli strati con cui è posato. Preferirei avere un telaio in T400 (il livello base delle fibre di Toray) realizzato da qualcuno di cui mi fido, piuttosto che uno in T1000 (la fibra più preziosa e costosa, leggera e rigida di Toray) realizzato da qualcuno che non sa come trattare il carbonio”. Klemm afferma che Giant mira a mitigare alcune di queste insidie utilizzando le nuove tecnologie: "La stampa 3D è una fonte di grande interesse per il futuro, nell'ultimo anno abbiamo studiato il taglio laser e la costruzione robotizzata. Ci consente di gestire in modo efficiente la sovrapposizione di tutti quei pezzi di carbonio che si uniscono nel telaio. Nel passato non si è prestata la stessa attenzione alla disposizione dei pezzi o alla loro ottimale sovrapposizione. Ciò si traduce in meno materiale usato e in una struttura più leggera".

Renaud afferma che Argon 18 ora cerca di eludere i problemi usando l'analisi degli elementi finiti (FEA), simulazioni al computer di come si comporteranno determinate stratificazioni. “Non è preciso al 100%, ma è un ottimo strumento per affinare le costruzioni prima di 'aprire' (cioè produrre stampi). Gli stampi sono così costosi che non si possono cambiare spesso, quindi si può restare bloccati da alcuni problemi che possono essere corretti in uno stampo aggiungendo più materiale. Ciò però peggiora inutilmente la bici. La ricerca FEA riduce al minimo le possibilità che si verifichino problemi lungo la linea”.

Affari appiccicosi

A parte la fibra di carbonio, la resina è l'altra metà poco apprezzata del composito, essendo la colla che tiene insieme un telaio. Non è così glamour o tecnica come la fibra di carbonio, quindi tende a essere ignorata nella confusione del marketing. Ma i costruttori sanno bene che questa è un'area di lavoro in cui si possono trovare veri e propri guadagni in termini di prestazioni. "L'attenzione è stata focalizzata più recentemente sugli additivi nella resina: le nanoparticelle", afferma Renaud di Argon 18. “Tuttavia, la sensazione generale è che non si può avere tutto. I nanomateriali possono migliorare una caratteristica, ma a scapito di altre". Secondo Annerstedt di Rolo: "Un primo esempio è il grafene. C'era un gran vociferare al riguardo, ma la sua applicazione ideale è stata comunicata male, forse apposta da parte di alcuni marchi”. La maggior parte delle persone prevede che questo materiale prodigioso un giorno soppianterà la fibra di carbonio, ma il suo reale valore - secondo Annerstedt - è tutto nella resina. “Quando si uniscono gli strati di carbonio, le particelle di grafene dovrebbero legarsi tra loro e col carbonio in modo da ottenere una struttura 3D che dovrebbe ridurre significativamente il taglio interlaminare. Le tele di carbonio si staccano, si crea così un legame meccanico oltre che chimico, rendendo le bici più resistenti, e non più leggere come la maggior parte della gente pensa. L'aggiunta di grafene però renderebbe la bici più pesante - il grafene è più denso della resina con cui è mescolato".

Renaud sostiene che l'uso del grafene si può diffondere solo se cambiano le basi stesse della costruzione di biciclette. “Le resine epossidiche utilizzate da tutti nel settore delle biciclette appartengono a una famiglia di polimeri chiamati termoindurenti. Il grafene offre benefici senza effetti collaterali solo se utilizzato in resine termoplastiche come il nylon, dove migliora la resistenza a parità di peso del materiale. Quindi una bici potrebbe essere più leggera ed essere altrettanto sicura”, afferma. “Tuttavia, i materiali termoplastici non sono adatti ai processi di progettazione utilizzati nel settore delle biciclette in questo momento. Le bici sono molto complesse, quindi devono essere fatte a mano. La fibra di carbonio preimpregnata di materiale termoplastico sarebbe flessibile solo ad alta temperatura, quindi le mani umane non possono lavorarla. Al momento le resine termoplastiche possono essere applicate più facilmente nelle industrie con tecniche di produzione robotizzate, come il settore automobilistico. Ciò non significa che in futuro non ci sarà spazio”.

Il grafene non è l'unico materiale innovativo utilizzato per migliorare le proprietà della fibra di carbonio. "Stiamo usando la fibra di boro nel nostro ultimo telaio VAM”, afferma Shrive di Factor. “I filamenti hanno un diametro molto grande, quindi resistono molto bene alla compressione. Li abbiamo trovati utili nella parte posteriore del reggisella, che deve sopportare il peso del ciclista che lo spinge verso il basso. Mi sento di prevedere che l'uso sarà sempre più diffuso perché finora le fabbriche in Cina hanno dovuto affrontare rigide restrizioni alle esportazioni”. Malgrado ciò, le fonti con cui abbiamo parlato erano inequivocabili nella loro opinione che, in termini di prodotto grezzo, non ci sono segreti. Nessuno possiede carbonio speciale o esclusivo: tutto è disponibile per tutti. Mentre la scelta è limitata e costante, i tipi di compositi aumentano e diminuiscono di popolarità in quanto soggetti alle tendenze del mercato."Molti marchi hanno bandito l'UHM (modulo ultra-alto) circa un paio di anni fa", afferma Shrive. "Era di moda usarlo sugli strati esterni dei telai, ma ciò li rendeva fragili e il danno da urto accidentale (come un attrezzo che cade sul telaio o il colpo inferto da una pietra) era un vero problema, di cui nessuno parlava davvero. Il suo uso è ora diminuito, anche se non è molto costoso. Il modulo intermedio è più popolare perché la ricerca della rigidità assoluta in termini di peso è meno focalizzata rispetto all'aerodinamica, la guidabilità e la maneggevolezza in salita".

Annerstedt di Rolo è in grado di approfondire la questione: “Abbinate a questi moduli inferiori, ora utilizziamo le fibre unidirezionali al posto di quelle intrecciate. Le persone ora sono più a conoscenza e maneggiano più facilmente gli aspetti ingegneristici di questo argomento, ma noi usiamo ancora una buona quantità di trama sullo strato superiore dei nostri telai per ottenere più durezza. Come sempre ci sono pro e contro in ogni scelta progettuale, ma il carbonio non ha limiti. Ognuno deve solo elaborare il proprio modo di arrivare al top”.

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