Alluminio o carbonio?

Quest’oggi non ci occupiamo di officina, ma di un argomento molto dibattuto: i materiali con cui vengono realizzati i telai da MTB. In particolare ci occuperemo di quelli ad oggi più utilizzati dalla stragrande maggioranza dei costruttori: l’alluminio e il carbonio.

Chiaramente in questo articolo non ci poniamo l’obiettivo di trattare in maniera approfondita tutti gli aspetti e le peculiarità che caratterizzano questi due materiali (si potrebbe scrivere un libro al riguardo), ma ci limiteremo a dare una panoramica sulle caratteristiche dei due materiali in modo da essere in grado di scegliere in modo un minimo consapevole tra le varie proposte del mercato.

Una piccola presentazione

Cominciamo con una piccola presentazione dei due materiali, cosa sono e quali caratteristiche hanno.

I MATERIALI COMPOSITI IN FIBRA DI CARBONIO

La cosiddetta “fibra di carbonio” o “carbonio” è in realtà un materiale composito composto da due fasi:

• una matrice, generalmente in resina epossidica (quindi di natura polimerica)
• un rinforzo costituito da un intreccio di filamenti di carbonio, intrecciati come se si trattasse di un tessuto.

I filamenti intrecciati costituiscono l’elemento che è in grado di conferire le proprietà meccaniche al manufatto, mentre la matrice ha il compito di proteggere il rinforzo, di tenere in posizione le varie fibre in modo che mantengano il corretto orientamento per assorbire gli sforzi e di mantenere la forma del manufatto.

I compositi in fibra di carbonio vengono utilizzati in applicazioni di alto livello, dove sono richieste proprietà meccaniche molto elevate, resistenza alla temperatura unite a leggerezza. Industrialmente sono poco utilizzate per i loro elevati costi di produzione.

Il composito in fibra di carbonio quindi è un materiale tecnologico ed è caratterizzato da:

• anisotropia: ovvero le proprietà dipendono dalla direzione considerata. Un manufatto in fibra di carbonio può essere ad esempio estremamente resistente alla trazione longitudinale, ma poco resistente alla trazione assiale
• elevata resistenza in relazione al peso, superiore a qualsiasi lega metallica
• un costo di realizzazione elevato, legato alla complessità, all’energia richiesta e alla richiesta di apparecchiature che la sua realizzazione richiede.
• elasticità: i compositi in fibra di carbonio sono generalmente abbastanza elastici, anche se l’elasticità del manufatto finito dipende molto dalla sua realizzazione. E’ infatti possibile realizzare, intervenendo sulla disposizione delle fibre, un elemento elastico o un elemento più rigido, soprattutto per quanto riguarda le tubazioni. Generalmente comunque un telaio in alluminio è più rigido di uno in carbonio, non a caso le bici da pista vengono realizzate in alluminio.

LE LEGHE DI ALLUMINIO

L’alluminio (Al) viene utilizzato insieme ad altri materiali (rame, zinco, manganese, silicio o magnesio) per la realizzazione delle cosiddette leghe leggere o leghe di alluminio, utilizzate in moltissimi ambiti, da quello aereospaziale a quello automobilistico, tanto che ad oggi sono uno dei materiali strutturali più utilizzati. Le tecnologie di produzione hanno subito molti sviluppi negli ultimi anni e per la loro diffusione hanno costi più contenuti.

La lega di alluminio, nonostante sia composta da diversi elementi, è caratterizzata da un’omogeneità. Senza scendere in spiegazioni fisiche relative al processo produttivo, diciamo che le leghe sono caratterizzate da un’elevata omogeneità.

Le principali caratteristiche sono:

• bassa densità: e quindi basso peso specifico, che se rapportata con le proprietà meccaniche della lega evidenzia un rapporto resistenza in relazione al peso molto vantaggioso rispetto agli altri materiali strutturali, inferiore comunque ai compositi in fibra di carbonio.
• Elevata duttilità: anche a freddo che facilita il processo produttivo permettendo la realizzazione di lavorazioni anche complesse.
• Resistenza a corrosione in ambiente atmosferico: che garantisce la durabilità del manufatto nel tempo.
• Elevata rigidità: hanno un modulo di Young molto basso e una rigidità molto alta.

Rispetto ad altre leghe metalliche, l’elevata rigidità delle leghe di alluminio permette ai costruttori di utilizzare tubi di sezione maggiore e spessore più basso. Infatti se un telaio di alluminio avesse un diametro dei tubi come un telaio in acciaio, lo spessore delle tubazioni dovrebbe essere tale da vanificare il risparmio di peso. Grazie anche all’elevata lavorabilità dell’alluminio è invece possibile realizzare tubazioni di diametro molto grande e spessore molto basso, sfruttando il principio che in un tubo, a parità di spessore delle pareti, la rigidezza aumenta con il cubo del diametro, mentre la massa aumenta solo in proporzione diretta. Pertanto è possibile realizzare tubi sottili ma molto rigidi e robusti, dal peso inferiore rispetto a quelli in acciaio.

Le principali leghe utilizzate nella realizzazione dei telai da bicicletta sono le cosiddette leghe per lavorazioni plastiche, in particolare le leghe dei gruppi:

• gruppo 6000 (leghe Al – silicio e magnesio) dette Anticordal: hanno una ottima lavorabilità con le macchine utensili e possono essere sottoposte al trattamento termico di indurimento per precipitazione, ma non si possono ottenere le caratteristiche che le leghe dei gruppi 2000 e 7000 possono raggiungere. Sono leghe con buona saldabilità, e dunque vengono usate nel campo navale, ferroviario, o per la costruzione di telai per biciclette e nella costruzione di infissi di alluminio. Largamente utilizzata è la lega 6061 o altre leghe proprietarie.
• Gruppo 7000 (leghe Al – zinco e magnesio) dette ergal: sono le leghe molto utilizzate in campo aerospaziale, nelle applicazioni strutturali di forza e sono in grado di raggiungere le migliori caratteristiche meccaniche tra tutte le leghe di alluminio.

Molto utilizzate in ambito ciclistico sono le: 7003/7005/7020 o altre leghe proprietarie.

Proprietà a confronto

Vediamo ora di confrontare alcune proprietà tra leghe di alluminio e composito in fibra di carbonio. Per ragioni di spazio non possiamo effettuare un’analisi approfondita, ci limiteremo ad un’analisi qualitativa, senza riportare valori precisi.

RESISTENZA IN RELAZIONE AL PESO

Il filato in fibra di carbonio possiede delle proprietà meccaniche elevatissime. La sua resistenza meccanica varia tra 2-7Gpa (2000-7000Mpa) a seconda del filato, mentre il carico di rottura di una lega 6061 è solo di 124Mpa. La densità della fibra di carbonio è mediamente 1750 kg/m3, mentre quella dell’alluminio 6061 è di 2700 kg/m3.

In questa valutazione tuttavia si considera esclusivamente la fibra di carbonio, senza considerare la matrice in resina, di cui non si può fare a meno. Ad ogni modo risulta evidente che le proprietà della fibra di carbonio sono tali che il composito avrà proprietà meccaniche migliori a parità di peso rispetto all’alluminio. Inoltre orientando opportunamente le fibre è possibile migliorare le proprietà meccaniche lungo la direzioni di maggiore sollecitazione, in modo da ridurre ulteriormente il peso.

RESISTENZA A FATICA

Un materiale se sottoposto a continui sforzi alla fine si romperà anche se non è stato mai raggiunto il limite di rottura o snervamento neanche una volta, si parla quindi di rottura per fatica. L’alluminio è noto per soffrire di affaticamento. Dopo una serie di cicli il materiale risulta indebolito e quindi col tempo perde proprietà meccaniche fino a giungere a rottura. I materiali compositi in fibra di carbonio invece sono molto più resistenti da questo punto di vista, non a caso vengono utilizzati anche per parti soggette a continue flessioni, come i foderi bassi della Cannondale Scalpel o le sospensioni delle F1. Oggi si stanno addirittura sperimentando delle molle in fibra di carbonio, dai pesi ridottissimi.

Dinamiche di rottura

Nella MTB, a differenza della bici da corsa, oltre alla resistenza del telaio al normale utilizzo, c’è da tenere in conto un ulteriore fattore: le cadute. Le cadute in MTB fanno parte del gioco: mentre in bici da corsa la caduta è un evento raro, un evento eccezionale, che può non essere considerato in fase di progettazione, nelle MTB l’evenienza di una caduta va tenuta in considerazione nella progettazione di un telaio durevole.

ROTTURA DEL CARBONIO – COMPORTAMENTO FRAGILE

La rottura dei materiali compositi non è semplice da schematizzare. Ad ogni modo il comportamento dei materiali compositi in fibra di carbonio è assimilabile ad un comportamento fragile.

Se sottoponiamo un provino a trazione, questo reagirà allungandosi in maniera elastica (ovvero se cessiamo la sollecitazione il provino ritorna nella sua forma originale) fino a pervenire a rottura. La frattura del provino sarà di tipo A, ovvero una rottura netta, quasi un taglio.

In particolare i nano tubi di carbonio non presentano deformazioni plastiche (allungamento) fino al carico di rottura, raggiunto il quale si spezzano improvvisamente. Per quanto invece riguarda la matrice di resina, come tutti i materiali polimerici è molto duttile ed elastica. E’ quindi possibile pervenire a rottura dello scheletro in fibra di carbonio, senza pervenire a rottura della matrice polimerica. Esternamente il provino sembra integro, ma in realtà è tenuto insieme solo dalla resina della matrice, con bassissime proprietà meccaniche.

ROTTURA DELL’ALLUMINIO – COMPORTAMENTO ELASTO-PLASTICO

La rottura delle leghe di alluminio invece segue un modello differente, ovvero il modello elasto plastico.

Il provino sottoposto a trazione si allunga inizialmente seguendo un comportamento elastico fino a L. Raggiunto L invece di pervenire a rottura come il carbonio, si ha una fase di deformazione plastica, in cui il provino si allunga in maniera non reversibile (terminando la sollecitazione non si ritorna alla configurazione iniziale). Ad un certo punto (punto U) si genera la strizione, ovvero un assottigliamento al centro del provino che rapidamente fa pervenire a rottura.

Si perverrà quindi ad una rottura di tipo B, con deformazione plastica visibile anche a rottura avvenuta.

CONSIDERAZIONI

Abbiamo visto che il comportamento a rottura dei due materiali è molto differente. Andiamo ad analizzare alcune rotture dal punto di vista pratico. A seguito di una caduta la bici schizza via rimbalzando tra le rocce. Non sappiamo di preciso in quali punti abbia colpito, ne l’intensità dell’urto.

Telaio in alluminio:

• in caso di sollecitazione oltre il limite elastico, il telaio anche se non è pervenuto a rottura si deforma plasticamente (bozzatura).
• Se si dovesse generare una crepa, questa sarebbe subito visibile. L’assenza di crepa o di bozzature è garanzia che il nostro telaio non ha subito danni e quindi possiamo utilizzarlo tranquillamente.

Telaio in carbonio:

• Non sappiamo se il carbonio si è danneggiato internamente (lesione parziale di alcune fibre) durante l’urto.
• Nel caso di danneggiamento interno di alcune fibre il telaio potrebbe non essere in grado di resistere alle normali sollecitazioni d’uso e rompersi di schianto durante il normale utilizzo. Un po come succede su un tessuto: se il tessuto è sano è difficile strapparlo. Se il tessuto presenta già un inizio di strappo basterà poca forza perché si allarghi lo strappo (teoria di Griffith)

Rottura da sovraccarico. Arriviamo corti da un salto atterrando in salita, o durante il nostro giro incontriamo un’improvvisa compressione. Generiamo quindi una sollecitazione oltre il carico massimo in grado di sopportare il telaio.

Alluminio: con l’alluminio abbiamo 2 possibilità:

1) La sollecitazione supera non eccessivamente il carico limite: si rimane all’interno della fase di deformazione plastica e il componente non si spezza ma si deforma plasticamente assorbendo il surplus di energia rispetto al limite elastico.

2) La sollecitazione è nettamente superiore rispetto al carico limite: la deformazione plastica non è sufficiente ad assorbire il surplus di energia e si perviene a rottura.

Carbonio: con il carbonio invece se si supera il carico limite lo scenario è uno solo: rottura di schianto.

Risulta quindi evidente che il comportamento a rottura dell’alluminio conferisce maggiore margine di sicurezza perché:

• La presenza di danneggiamenti è facilmente visibile anche con una semplice analisi visiva. L’assenza di crepe o deformazioni plastiche (bozze) è garanzia che il materiale non si è lesionato. Nei compositi in fibra di carbonio invece si possono verificare delle rotture interne che minano la resistenza della struttura. Queste lesioni non sono individuabili se non con analisi specifiche e spesso sono la causa di rotture inaspettate (telai che si rompono senza alcun motivo apparente perché lesionati durante una precedente caduta).
• La deformazione plastica dell’alluminio superato il limite elastico costituisce un margine di sicurezza in più in quanto può essere in grado di assorbire il surplus di energia oltre il limite elastico senza far pervenire il componente a rottura.

Alcune considerazioni sul peso

Bisogna sottolineare un altro fattore. A parità di proprietà di resistenza, la differenza di peso tra un telaio in fibra di carbonio e uno in alluminio non è molto elevata. Parliamo di pochi etti, su un telaio full da ca 3kg.

Il grosso vantaggio dei compositi in fibra di carbonio è tuttavia che è possibile alleggerire la struttura rendendo i vari elementi resistenti solo a determinate sollecitazioni, sfruttando l’anisotropia del materiale. Se per esempio su un telaio si ha una tubazione che lavora esclusivamente a trazione, con la fibra di carbonio è possibile realizzare questa tubazione in modo tale che resista esclusivamente a trazione. In questo modo è possibile risparmiare moltissimo in termini di peso, tuttavia il telaio potrà facilmente danneggiarsi a seguito di sollecitazioni straordinarie, come quelle di una caduta.

In collaborazione con http://www.bikelabtorino.com/