La resina è l'eroe sconosciuto che tiene insieme il tuo telaio in carbonio ed è altrettanto cruciale per le prestazioni
Chiedi alla maggior parte dei roadie di cosa è fatto il telaio della bicicletta e la risposta sarà probabilmente "carbonio". Chiedi a chiunque sia coinvolto nella realizzazione di telai per biciclette (o anche altri prodotti realizzati con questo meraviglioso materiale intrecciato) e otterrai una risposta più complessa.
"Nel settore delle biciclette di solito si sente parlare di carbonio, ma in re altà è troppo semplicistico: una generalizzazione", afferma Thomas Leschik, capo dell'ingegneria presso il produttore tedesco di ruote Lightweight. “In re altà è una matrice di fibre di carbonio e resina epossidica. Il termine più accurato è CFRP – plastica rinforzata con fibra di carbonio.'
Quindi i nostri tanto ambiti destrieri sono poco più che biciclette di plastica rinforzate. È una semplice abbreviazione e spiega l'importanza delle resine, che sono la parte plastica (o polimero) del CFRP. Essenzialmente la resina conferisce al materiale composito la sua rigidità. Come afferma Phil Dempsey di Aprire, un'azienda specializzata in biciclette in fibra di carbonio, La fibra di carbonio è puramente un tessuto. Da solo è solo un pezzo di stoffa.'
Quando si tratta di descrizioni dei prodotti e del relativo discorso di marketing, il marchio o il tipo di fibra di carbonio (ad es. Toray, T800, 65HM1K, modulo ultra alto) viene regolarmente strombazzato come la caratteristica fondamentale delle caratteristiche del prodotto finito. È come se non ci fosse nient' altro in gioco, ma in re altà le fibre costituiscono poco più della metà del materiale del telaio. Il resto è la resina epossidica, che chiaramente deve svolgere un ruolo importante nelle prestazioni di una bici moderna. Perché, allora, il blurb di marketing lo menziona raramente?
L'ABC di CFRP
| CFRP |
Plastica (o polimero) rinforzata con fibra di carbonio. Il materiale composito di cui come carbonio o fibra di carbonio. |
| Cura |
Il processo di applicazione del calore e spesso della pressione su una struttura in CFRP per "impostare" il resina e conferiscono rigidità al pezzo finito. |
| Fibra | Fili di carbonio intrecciati o intrecciati insieme per creare l'elemento di rinforzo di una struttura in CFRP. Spesso chiamati "filamenti". |
| Stampo | Il componente fisico all'interno e attorno al quale sono posate le lastre in fibra di carbonio per creare il telaio. |
| Ply book | Essenzialmente un libro di modelli di cucito glorificati. Questi dettagliano come ogni singolo pezzo di fibra di carbonio viene tagliato e assemblato e sono i segreti più custoditi. |
| Pre-preg | Fogli di fili di fibra di carbonio impregnati di resina non polimerizzata. |
| Resina | Un polimero liquido utilizzato per unire le fibre all'interno di una struttura CFRP. |
Conoscenza privilegiata
Per capire il ruolo che la resina ha in una bici in fibra di carbonio finita, dobbiamo capire il processo di produzione e come la resina viene incorporata in essa.
In sostanza ci sono due tipi di costruzione in fibra di carbonio: bagnata e asciutta. Per la produzione a umido, un'azienda acquista un tessuto in fibra di carbonio già impregnato di resina, noto come pre-preg. Questi fogli appiccicosi vengono disposti dentro o attorno a uno stampo e quindi polimerizzati usando calore e pressione per infondere rigidità. La tecnica di produzione dell'infusione di resina secca può assumere due forme diverse. Il primo è simile al modo in cui avviene la produzione del pre-preg, con sagome tagliate di stoffa asciutta posate su uno stampo, con la resina aggiunta come parte del processo di stagionatura. La seconda tecnica, utilizzata da aziende come Time e BMC (con le sue biciclette Impec), prevede lo stiramento di una struttura tubolare continua simile a un calzino su uno stampo in un'unica lunghezza. Da qui, la resina viene aggiunta sotto pressione alle forme già formate.
Giant è l'unico marchio che produce tutti i propri prodotti in carbonio pre-preg dalla "bobina alla finitura", vale a dire che acquista la sua fibra di carbonio come filo su bobine grandi, aggiunge la propria resina e continua a produrre i suoi telai, barre, attacchi manubrio e accessori. Giant, quindi, sembra una buona compagnia per chiedere informazioni sull'importanza delle resine.
Il suo responsabile del prodotto e della formazione nel Regno Unito, David Ward, afferma: "Il nostro filamento in fibra di carbonio viene consegnato direttamente da Toray [il più grande produttore mondiale di fibre di carbonio] alla sala bobine. Da lì viene infilato ai telai e intrecciato in enormi fogli di tela di carbonio. È dopo la tessitura che viene aggiunta la resina. La resina si trova in una vasca sopra il gruppo rulli e viene fatta passare sul tessuto mobile, applicata ai filamenti tramite rulli.' Il processo è semplice e la tecnica utilizzata da Giant è praticamente identica a quella utilizzata da tutti i produttori di fibra di carbonio pre-preg. Ma mentre può essere semplice nella sua meccanica, l'accuratezza, la ripetibilità e il controllo sono vitali per l'integrità del prodotto finito.
"La resina deve fluire e ricoprire perfettamente ogni singolo filamento", afferma Ward. "Una buona distribuzione della resina è fondamentale per ottenere un buon pre-preg dalla fine di una linea di produzione". Dempsey di Aprire aggiunge: "È così importante che la resina passi attraverso gli strati. Se sbagli la resina, hai un telaio rotto. È davvero fondamentale.'
Nel mezzo di tutto
"Poiché la resina costituisce il 40% di un telaio Giant dopo l'indurimento, la resina è una parte molto importante", afferma Ward. "Una volta termoindurente [indurita], è la resina che conferisce rigidità alla struttura". Oltre alle proprietà strutturali di base, la resina svolge un altro ruolo fondamentale. Dempsey dice: 'Devi trasferire lo stress da una parte all' altra. Sono le resine che consentono il trasferimento di carichi tra gli strati di fibre.'
Diverse resine influenzeranno le prestazioni del prodotto finale. Dempsey dice: Se la resina è troppo viscosa, non scorrerà attraverso il carbonio e ti ritroverai con le fibre che si toccano l'una con l' altra. Idealmente, li vuoi minuziosamente separati.'
Poi c'è il problema della comprimibilità, che influisce sullo spessore delle strutture in carbonio. "Diversi additivi nella resina influiranno sulla comprimibilità", afferma Dempsey.‘Puoi ottenere uno spessore dello strato diverso a seconda delle caratteristiche della resina. Generalmente, le resine più economiche saranno più spesse. Con una buona resina, le fibre di carbonio possono essere separate da micron. Ciò ti dà pareti più sottili per le stesse qualità di resistenza, il che significa un telaio più leggero. Una resina più economica lascia più materiale tra le fibre e gli strati.'
Poiché Giant produce interamente internamente, è stata in grado di sviluppare le proprie resine. Ward afferma: "Siamo alla nostra terza generazione di sviluppo della resina ora. I dettagli più piccoli del processo di stampaggio e polimerizzazione dipendono tutti dalle proprietà della resina: la temperatura a cui si spegne e il tempo necessario per la polimerizzazione.' A causa dell'ampia fascia di prezzo dei suoi prodotti in carbonio, Giant utilizza due tipi di resina. "La nostra resina standard viene utilizzata su tutte le linee di prodotti ad eccezione dei prodotti Advanced SL", afferma Ward. 'Per Advanced SL, utilizziamo un additivo nanotecnologico. Le nanoparticelle aumentano la resistenza agli urti dei nostri telai del 18% senza alcun effetto negativo sulla rigidità o sul peso. Costano molto di più però.'
Un ulteriore sottoprodotto delle particelle è il miglioramento della compattazione della parete durante la polimerizzazione. Le nanoparticelle consentono alla resina di riempire i microvuoti nel lay-up. La resina in re altà scorre meglio, riducendo il potenziale di vuoti e riducendo lo spessore delle pareti ', aggiunge Ward.
Il ruolo di una resina nella riduzione dei vuoti è un punto chiave nell'integrità strutturale di un telaio, come spiega Dempsey. "I vuoti nella resina sono buchi che raccolgono lo stress", dice. "Questi sono potenzialmente punti di guasto e i vuoti falliscono esplodendo mentre gli strati si delaminano. Puoi ancora ottenere una delaminazione senza vuoti, ma vuoi mirare a sacche d'aria minime nel composito.'
Oltre al trasferimento del carico, allo spessore delle pareti e alla robustezza, le resine possono influire sulla guida della bicicletta. Dempsey afferma: Da un punto di vista semplice, puoi pensare alle resine come a un prodotto in stile Araldite a due componenti con una resina e un indurente. La quantità dell'indurente utilizzato con una data resina può avere un effetto sostanziale sulla qualità di guida. Per un buon telaio della bicicletta, è necessaria una certa flessibilità all'interno di una resina polimerizzata per consentire il trasferimento delle sollecitazioni tra gli strati di fibra di carbonio. Puoi ottenerlo usando una resina più forte con meno indurente. Designer intelligenti possono ottenere una struttura più rigida o più conforme per un dato peso. Non puoi fare affidamento su una resina per la rigidità ma, come ingegnere, devi essere consapevole delle potenziali proprietà che la resina può aggiungere a una struttura finita.'
Le resine sono chiaramente importanti per la qualità del telaio finito, quindi torniamo alla domanda sul perché ne sentiamo parlare così poco.
"La resina è un permesso, non un driver di funzionalità", afferma Dempsey. “La resina ci consente di unire i diversi strati di fibra di carbonio, ad esempio da T700 a T800, per utilizzare le diverse proprietà che le fibre ci presentano. È una vendita difficile e molto difficile da girare, ma il ruolo che svolgono non deve essere sottovalutato.'
David Ward di Giant lo dice in modo più succinto: Le resine sono solo una colla. Semplicemente non sono sexy.'
Il calore del momento
Dato che la maggior parte dei produttori di biciclette utilizza carbonio pre-preg, le loro scelte sono limitate in termini di utilizzo della resina per influenzare le prestazioni di un telaio. Ma ciò non impedisce alle persone di cercare nuove direzioni o di spingere le aziende di resina e pre-preg a produrre prodotti diversi.
Dempsey afferma: "Stiamo lavorando per convincere i partner a produrre una resina che non si sbricioli a temperatura ambiente. Un fattore limitante con il design è che non appena si prende il pre-preg dalla sua cella frigorifera, inizia a polimerizzare all'aria. Non si durerà mai completamente fuori dal forno di essiccazione, ma "si spegnerà". Un pre-preg che ci ha permesso di utilizzare un processo di posa più complesso e di sviluppare il nostro libro di piega [vedi glossario, a sinistra] al livello che desideriamo, ci consentirebbe di ottenere molto di più dal nostro risultato finale. Sarebbe fantastico per noi.'
Un'area in cui le resine svolgono un ruolo importante è nella produzione di ruote in carbonio. Qui le resine sono fondamentali, non solo per l'integrità strutturale e la rigidità della ruota, ma anche per le prestazioni di frenata.
Leschik di Lightweight afferma: 'Il punto più debole di una resina è il suo comportamento termico. La maggior parte delle resine ha problemi oltre i 150°C. Negli ultimi 10 anni abbiamo triplicato la resistenza alla temperatura delle nostre resine.'
Quasi tutti i ciclisti avranno sentito una storia dell'orrore su una ruota in carbonio che si guasta durante una lunga discesa a causa dell'accumulo di calore, ma cosa succede effettivamente quando la pastiglia del freno incontra il cerchio? Leschik afferma: La tribologia è la scienza e l'ingegneria delle superfici interagenti in movimento relativo. Comprende lo studio e l'applicazione dei principi di attrito, lubrificazione e usura. La frenata su un cerchio CFRP con pastiglie dei freni in gomma in condizioni di bagnato o asciutto è uno di questi sistemi tribologici. L'ottimizzazione di questo sistema per buone prestazioni dei freni non è possibile senza resine resistenti alle alte temperature.'
Come per le prestazioni del telaio, sono gli additivi nelle resine che aumentano la resistenza al calore e il prezzo. Uno di questi additivi è una ceramica – silice. Anche se Aprire non fa ruote, Dempsey comprende il processo: Le resine fanno un'enorme differenza nella struttura di un cerchio in carbonio. Ad esempio, l'aggiunta di silice sottrae una notevole quantità di calore dal corpo della struttura e consente al flusso d'aria di raffreddare il cerchione molto meglio rispetto a un cerchio CFRP standard. Il rame sarebbe un ottimo additivo in quanto ha la capacità di assorbire enormi quantità di calore, ma c'è la possibilità che lo zolfo penetri nella resina se l'umidità entrasse attraverso le microfessure. Ciò porterebbe a una delaminazione quasi certa. I dissipatori di calore, le maglie all'interno della resina, hanno un grande potenziale. Questa tecnologia potrebbe arrivare.'
Leschik di Lightweight ha anche grande fiducia negli sviluppi della resina: Stiamo esaminando l'ottimizzazione dei cerchioni dei freni a cerchione. Con le resine intelligenti siamo certi di poter offrire al ciclista le stesse prestazioni di frenata dei dischi senza un solo grammo in più di peso.'
La dura verità
È chiaro che la resina è un eroe sconosciuto del processo di costruzione delle biciclette. Può influenzare la rigidità, la robustezza, il peso, la sicurezza e il prezzo dei prodotti in fibra di carbonio, quindi possiamo aspettarci che i produttori inizino a fare la ceretta sulle meraviglie delle loro cose appiccicose? Probabilmente no, perché è ancora solo una parte di un sistema complesso. La resina di alta qualità non compenserà la fibra di carbonio di scarsa qualità o le tecniche di costruzione poco ispirate. Come dice Leschik di Lightweight, 'È sempre lo stesso: per cucinare una bella torta servono gli ingredienti giusti nella giusta proporzione, ben fatta.'
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