I produttori adorano vantarsi del lay up in fibra di carbonio, quindi Cyclist ha deciso di indagare su cosa significa e come influisce sulle prestazioni
Una bicicletta, va da sé, è il miglior regalo di Natale di sempre, ma con la possibile eccezione di un cucciolo è anche il più difficile da avvolgere. Peccato quindi per il povero designer di telai che deve avvolgere e drappeggiare il carbonio attorno alle sue curve complesse in modo tale che, una volta cotto e finito, il telaio offra la sensazione di guida desiderata. La costruzione di un telaio in fibra di carbonio è un complesso puzzle 3D che eclissa il Cubo di Rubik.
La bellezza del carbonio è che, a differenza del metallo, più pezzi possono essere stratificati a vari gradi di intersezione e sovrapposti per dare un controllo molto stretto sulle caratteristiche prestazionali e sulla resistenza richieste in un dato punto del telaio di una bicicletta. Lo svantaggio è che il carbonio è anisotropo - è più forte in una direzione rispetto all' altra in modo simile al legno - il che significa che la forza dipende dalla direzione delle fibre. Affinché il carbonio possa sostenere carichi significativi, le forze devono essere dirette lungo le sue fibre, il che rende la direzione delle fibre assolutamente cruciale. Le sezioni costitutive del telaio di una bicicletta subiscono forze in diverse direzioni, il che significa che anche le fibre di carbonio devono scorrere in più direzioni. Ecco perché strati diversi hanno le loro fibre ad angoli diversi, comunemente 0° (in linea), +45°, -45°, +90° e -90°, e in effetti qualsiasi angolo scelto dai designer se creerà gli attributi desiderati.
Nelle profondità
Così è per tutti i telai in carbonio. Sotto gli esterni lucenti ci sono molti strati di pezzi in fibra di carbonio le cui rigidità, punti di forza, forme, dimensioni, posizioni e orientamenti sono stati meticolosamente pianificati, di solito da una combinazione di pacchetti software per computer e competenza degli ingegneri. Questo è noto come programma di lay-up, o semplicemente lay-up. Quando il seghetto alternativo in carbonio è completato, la bici deve essere leggera, reattiva, economica e in grado di sopportare le forze più estreme del ciclismo.
Il professor Dan Adams, direttore del laboratorio di meccanica dei compositi presso l'Università dello Utah a S alt Lake City, lui stesso un appassionato ciclista e che è stato coinvolto nello sviluppo dei primi telai in carbonio di Trek, afferma che costruire qualsiasi cosa dal carbonio è tutto sul corretto programma di lay-up. "Specifica l'orientamento dei singoli strati o strati di preimpregnato di carbonio/epossidico, impilati per creare lo spessore finale della parte", afferma. ‘Alcune parti del telaio sono più facili da posare rispetto ad altre. I tubi sono relativamente semplici, ma le giunzioni tra di loro sono alcune delle più complesse stratificazioni di strati che vedrai nelle parti di produzione di qualsiasi settore che utilizzi strutturalmente il carbonio, compreso quello aerospaziale e automobilistico.'
La natura anisotropa del carbonio rende cruciale anche la scelta del giusto carbonio. Nella sua forma più semplice, ci sono due modi in cui viene fornito il carbonio. Unidirezionale (UD) ha tutte le fibre di carbonio che corrono in una direzione, parallele tra loro. L' alternativa a UD è un tessuto, o "panno". Ha fibre che scorrono in due direzioni, andando l'una sotto e sopra l' altra ad angolo retto per dare l'aspetto classico della fibra di carbonio. Nel tessuto più semplice, noto come tessuto semplice, le fibre si allacciano sotto e sopra ad ogni incrocio (chiamato "1/1") per produrre un motivo a griglia. Ci sono molti altri possibili modelli di trama. Il twill (2/2) è un po' più ampio, quindi più facile da drappeggiare e facilmente riconoscibile per il suo motivo diagonale, che sembra chevron.
Anche il modulo (una misura di elasticità) della fibra è fondamentale per un dato lay-up. Il modulo definisce quanto è rigida una fibra. Una fibra a modulo standard, valutata a 265 gigapascal (GPa) è meno rigida di una fibra a modulo intermedio valutata a 320 GPa. Per realizzare componenti della stessa rigidità è necessario meno carbonio a modulo più elevato, il che si traduce in un prodotto più leggero. Le fibre a modulo più alto potrebbero quindi sembrare la scelta preferibile, ma c'è un problema. Un'analogia può essere fatta con un elastico rispetto a un pezzo di spaghetti. L'elastico è molto elastico (ha un modulo basso) e può essere piegato con pochissima forza applicata ma non si rompe, inoltre tornerà alla sua forma originale dopo la piegatura. Gli spaghetti, d' altra parte, sono molto rigidi (alto modulo), quindi resisteranno alla deformazione fino a un certo punto e quindi si romperanno semplicemente. I dipartimenti marketing spesso si vantano dell'inclusione di un determinato modulo di fibra nell'ultimo design del telaio, ma nella maggior parte dei casi il telaio di una bicicletta è un attento equilibrio di diversi tipi di modulo all'interno del lay-up per offrire una combinazione desiderabile di rigidità, durata e flessibilità.
C'è un' altra variabile da considerare. Un singolo filo di fibra di carbonio è estremamente sottile, molto più sottile di un capello umano, quindi sono raggruppati insieme per formare quello che viene chiamato un "rimorchio". Per le biciclette, un rimorchio può contenere qualsiasi cosa tra 1.000 e 12.000 fili, sebbene 3.000 (scritti come 3K) siano i più comuni.
Fibra questo, fibra quello
Queste sono le basi, ma creare un lay-up diventa complicato. "Da un punto di vista di pura resistenza e rigidità, il composito ideale avrebbe la più alta percentuale possibile di fibra rispetto alla resina e la minor piegatura possibile nella fibra", afferma il dott. Peter Giddings, ingegnere ricercatore presso il National Composites Centre di Bristol, che ha ha lavorato con le bici e le ha corso per molti anni. “Le fibre unidirezionali, almeno in teoria, sono la scelta migliore per questo. I materiali UD hanno un rapporto rigidità/peso maggiore nella direzione della fibra. Sfortunatamente i compositi UD sono più suscettibili ai danni e, una volta danneggiati, hanno maggiori probabilità di cedere rispetto ai tessuti.'
Costruire un telaio esclusivamente con strati di carbonio UD creerebbe una bici pericolosamente fragile, per non parlare del costo proibitivo a causa del materiale e dei costi di manodopera. Quindi il carbonio intrecciato domina ed è la scelta ovvia per tutte le aree in cui ci sono curve strette e forme complesse di giunti. Inoltre, alla gente piace il suo aspetto. "Esteticamente, i materiali intrecciati sono considerati migliori dei materiali unidirezionali e la percezione del pubblico di un composito è un tessuto", afferma Giddings. 'In effetti, molti produttori dipingono [quindi nascondendo] aree in cui la struttura del telaio impedisce un aspetto liscio e intrecciato.'
Anche la facilità di fabbricazione deve essere presa in considerazione in un programma di posa per tenere conto dei costi di manodopera. Per giunti e forme complesse ci vorrà molto più tempo per creare la stratificazione ideale con le fibre UD. È un altro motivo per cui i tessuti intrecciati sono la scelta preferita della maggior parte dei produttori di biciclette in carbonio. "Il tessuto intrecciato è più facile da lavorare rispetto all'UD e richiede meno abilità per adattarlo alla forma richiesta", afferma Giddings. 'UD ha la tendenza a dividersi o attorcigliarsi attorno a forme complesse. I tessuti a trama larga si adattano più facilmente e la resistenza complessiva della struttura è meno influenzata da piccoli difetti di fabbricazione.'
È probabile che i produttori optino per un lay-up con carbonio intrecciato nelle aree più complesse, come il movimento centrale e le giunzioni del tubo sterzo, ma non è ancora così semplice come sembra perché c'è un altro fattore da considerare. "Vuoi mantenere la continuità dell'orientamento della fibra non solo attorno agli incroci, ma attraverso e oltre", afferma Paul Remy, ingegnere di biciclette presso Scott Sports. 'Possono esserci curvature complesse in corrispondenza di una giunzione come il movimento centrale, quindi devi pensare a un modo per continuare l'orientamento delle fibre, per trasferire il carico su di esse.'
È qui che gli ingegneri dei telai come Remy sono grati per l'assistenza dell'informatica. In passato l'unico modo per sapere in che modo le varie alterazioni del programma di lay-up potevano influenzare il risultato finale era costruire e testare più prototipi, ma ora un programma di lay-up può essere testato con un grado di accuratezza molto elevato dai computer prima di un un singolo filo di fibra è atterrato in uno stampo a telaio.
"In precedenza era davvero difficile sapere quale effetto avrebbe avuto il cambiamento di una sola parte del lay-up sulle prestazioni del telaio", afferma Remy.
Bob Parlee, fondatore di Parlee Cycles, con sede nel Massachusetts, ricorda quei vecchi tempi prima che i computer scricchiolassero i numeri in modo piuttosto affettuoso: "Se capisci i carichi su una struttura a traliccio come un telaio, i lay-up sono semplici, quindi inizialmente potrei risolverli da solo nella mia testa.' Da allora Parlee ha ammesso che l'analisi degli elementi finiti (FEA) del computer ha il suo posto. "Inizialmente non farei fori nei tubi del telaio [per i punti di ingresso dei cavi o per i supporti del portaborraccia] perché erano potenziali punti deboli, ma ora FEA ci dice cosa fare per rinforzare quel buco", dice.
L'aumento della potenza di calcolo insieme a software sempre più sofisticati consente agli ingegneri di analizzare molti modelli virtuali in breve tempo e superare i confini del design e dei materiali. Secondo l'ingegnere di progettazione specializzato Chris Meertens, l'iterazione è il nome del gioco. Gli strumenti FEA creano un modello rappresentativo del telaio e l'obiettivo è tenere conto di ogni fibra. Il software mi consente di progettare ogni strato, sulla base di un modello di ottimizzazione per i 17 casi di carico che abbiamo per un telaio modello.'
Ciò significa che il software indica a Meertens quanto carbonio dovrebbe esserci in ciascuna area del telaio e l'orientamento ottimale per le fibre. L'abilità, tuttavia, sta nel sapere cosa è e cosa non è possibile con il lay-up di carbonio. A volte il computer sputa ideali che sono tutt' altro che ideali. "La maggior parte delle volte lo guardo e dico: "Non c'è modo che possiamo farlo", dice Meertens. 'Quindi mi dedico al software di drappeggio laminato per tagliare strati virtuali e drappeggiarli su un mandrino virtuale, basandomi sulla fattibilità di produzione e sull'ottimizzazione del laminato.'
Anche l'utilizzo di un software per computer può richiedere giorni per essere decifrato e c'è ancora molta strada da fare prima che il lay-up sia finalmente definito. Un aspetto in cui l'elemento umano è essenziale è assicurarsi che la giusta qualità di fibra venga utilizzata nel posto giusto. Meertens afferma: "La fibra 0° è molto rigida ma non ha una buona resistenza all'impatto, quindi, per mantenere il composito resistente ai danni, dobbiamo evitare di metterne troppa in punti come il fondo di un tubo obliquo. A questo punto saprò di quali forme di piega ho bisogno, ma ora voglio sapere quante di ciascuna piega. Quindi eseguo un altro programma di ottimizzazione che mi dice quanto dovrei renderli spessi, essenzialmente il numero di livelli. Analizzerà da 30 a 50 combinazioni di strati. Eseguiremo il ciclo di drappeggio virtuale e ottimizzazione quattro o cinque volte, perfezionando ogni volta gli strati un po' di più. Ma a un certo punto dobbiamo premere "Vai" e mandarlo via.'
Guida definitiva
Il programma di lay-up è come una mappa 3D, che dettaglia ogni pezzo di carbonio sagomato in ogni strato. "Il telaio è diviso in nove zone: due foderi verticali, due foderi orizzontali, movimento centrale, sella, tubo superiore, sterzo e obliquo", afferma Meertens.‘Specifichiamo il dato, che è un asse, per ciascuna zona. L'orientamento di ogni pezzo di carbonio in una zona è quindi correlato a quel dato. Un tubo obliquo può avere strati a 45°, 30° e 0° rispetto al dato locale. In generale, il materiale più resistente viene utilizzato fuori asse, ad angolo. Il materiale a modulo più alto che utilizziamo assialmente, a 0°.'
Il file risultante può avere una dimensione massima di 100 Mb e alla fine viene passato alla fabbrica. Ogni lavoratore in fabbrica riceve solo la quota relativa alla parte del telaio che è incaricato di realizzare. Questa non è ancora la produzione finale. Il telaio costruito è un prototipo in questa fase e deve essere testato per garantire che il lay-up progettato digitalmente si traduca in un telaio che funzioni nella pratica. L'ecografia, l'ispezione a raggi X e la dissezione fisica rivelano gli spessori dei laminati. Altrove la matrice di resina verrà bruciata per esporre la qualità della laminazione e se il materiale o le fibre sono migrate. Le prove di flessione dovrebbero mostrare gli stessi risultati dell'analisi FEA. Alla fine, però, è un umano che se la cava per strada.
'Andare in bicicletta è l'unico modo in cui possiamo quantificarlo veramente', afferma Bob Parlee. "Possiamo eseguire le prove di flessione e carico, ma dobbiamo uscire e guidarlo per vedere se si comporta come vogliamo". Quando il modello passa l'adunata, alla produzione viene finalmente dato il via libera.
La maggior parte della produzione di biciclette avviene in Estremo Oriente, e questo attribuisce ancora maggiore importanza al programma di lay-up. Il piano finemente dettagliato, se seguito alla lettera, dovrebbe garantire che i prodotti che escono da quelle grandi fabbriche siano gemelli identici di quelli testati e superati nella fase di prototipo finale. Ovviamente la maggior parte dei marchi testa e ritesta continuamente i telai di produzione per garantire la coerenza in modo che le biciclette che arrivano nei negozi soddisfino le aspettative dei clienti. Nella maggior parte dei casi i produttori possono anche ripercorrere l'intero percorso di un telaio, fin dalle origini dei primissimi fili di fibra. Che è qualcosa a cui pensare la prossima volta che stai in piedi e ammiri il tuo orgoglio e la tua gioia.
