I materiali compositi prevedono la presenza di due fasi (matrice e rinforzo), combinate tra loro a livello microscopico, per fornire in maniera sinergica proprietà ottimali e superiori a quelle dei singoli costituenti. Il rinforzo può consistere genericamente in fibre, particolati, sfere, o avere altra forma, mentre la matrice può essere polimerica, metallica, ceramica. Come esempio classico di materiale composito si può citare il cemento armato, potendo considerare il cemento come matrice e l’armatura in acciaio come rinforzo. Nel caso del settore ciclo, ma anche dell’aeronautica, si usano matrici epossidiche con rinforzi rappresentati da fibre di carbonio; le fibre possono essere fibre di vetro, di carbonio o aramidiche (KevlarTM) e quelle che hanno le propietà meccaniche più elevate (modulo elastico e tensione di rottura) sono le fibre di carbonio.
Nel mercato esistono molteplici tipologie di fibre di carbonio che presentano valori di modulo elastico e di tensione di rottura differenti. Queste tipologie vengono raggruppate in due macrocategorie e prendono il nome di fibre ad alto modulo se sono caratterizzate modulo elastico elevato o fibre ad alta resistenza se presentano una tensione di rottura elevata. Questo aspetto sfugge il più delle volte, ma è un parametro di cui bisognerebbe tener conto quando si fa una valutazione dei componenti realizzati con un materiale composito. Le fibre vengono riunite in mazzi chiamati bundle i quali vengono identificati in base al numero di filamenti che li compongono: ad esempio la dicitura 3k indica la presenza di 3000 filamenti nel bundle considerato. I bundle vengono dunque tessuti, oppure disposti in modo unidirezionale, cioè parallelamente l’uno rispetto all’altro, e immersi nella matrice in modo da ottenere un risultato finale con caratteristiche meccaniche superiori.
Libertà al progettista
Prendendo in esame il modulo elastico e la tensione di rottura e considerando il rapporto tra queste due grandezze rispetto alla densità del materiale o al peso del componente si può affermare che i componenti realizzati in materiale composito sono molto resistenti, molto rigidi, con basso peso. Questo è il motivo per cui sono stati sviluppati negli anni i materiali compositi. Tali materiali offrono infatti una grandissima libertà al progettista che può realizzare materiali ad hoc, nel senso che a seconda della disposizione delle fibre - cioè a seconda del fatto che vengano tessute, che vengano messe in modo unidirezionale, a seconda della quantità di fibre per ogni bundle, del tipo di trama nel tessuto - il materiale acquista proprietà molto diverse. Quindi il progettista può, in base alle specifiche esigenze, progettare le caratteristiche di rigidezza e resistenza del materiale a seconda dello stato di sollecitazione del materiale nel punto considerato. In commercio si trovano i cosiddetti pre-impregnati, dei fogli di resina e fibra che non hanno ancora subito il ciclo di cura finale, cioè non sono ancora prodotto finito; questi fogli, detti anche lamine, vengono stratificati per formare un laminato e strati contigui possono avere l’orientamento delle fibre e proprietà elastiche differenti: partendo da lamine di preimpregnato uguali si possono ottenere laminati differenti a seconda dell’orientamento degli strati che li compongono. Insomma, con i compositi, è il progettista che determina le proprietà del materiale, cosa che assolutamente non avviene per i materiali metallici. Quest’ultimi infatti sono isotropi, cioè hanno le stesse proprietà a prescindere dalla direzione di sollecitazione considerata, ed è una grossissima differenza rispetto ai compositi, una variabile in più di progettazione che determina un surplus per il materiale; infatti, in base allo sforzo cui è sottoposto un componente in un dato punto è possibile creare un materiale ad hoc per quel punto. Potenzialmente si possono creare materiali ad hoc a seconda delle esigenze, ottenendo un’ottimizzazione della struttura.
Non tutti lo sanno
La cosa interessante che non tutti sanno è che per capire come è stato realmente progettato e prodotto un telaio per bicicletta, bisognerebbe verificare il laminato strato per strato; quando si dice, ad esempio, che un telaio è in carbonio 12k, significa solo che ogni bundle dell’ultimo strato ha dodicimila filamenti di fibra, ma non vuol dire niente di più, perché tale sigla identifica solo l’ultimo strato, mentre bisognerebbe analizzare il laminato lamina per lamina valutandone le proprietà e l’orientamento per poter valutare le proprietà del componente. Intendo che ciò che si vede fuori non è indicativo, ma è solo l’ultima stratificazione visibile la cui scelta in molti casi può essere dettata da fini puramente estetici. Si possono quindi utilizzare preimpregnati differenti, ma è proprio la successione della disposizione dei vari layer di preimpregnato che condiziona il comportamento del materiale. Risulterebbe dunque utile che il costruttore fornisse qualche informazione in più a riguardo. Quindi sarebbe meglio sapere che cosa c’è sotto l’ultimo strato, quali tipologie di fibre sono state utilizzate per riuscire effettivamente a dare un giudizio sulle proprietà del materiale composito e dunque sulle prestazioni del componente. Resta inteso che sulla sicurezza dei telai non ci sono dubbi in quanto prima di essere immessi mercato devono passare i severi test previsti dalla normativa.
Meccanismi di rottura
I procedimenti con cui giungono a rottura i componenti realizzati con materiali compositi e materiali metallici tradizionali sono molto diversi. Mentre i materiali metallici prima di rompersi manifestano una deformazione plastica, i materiali compositi sono caratterizzati da meccanismi di rottura di tipo fragile: la deformazione plastica che precede la rottura e' molto limitata rendendo il fenomeno quasi istantaneo. I meccanismi sono molteplici tra i quali può avvenire una delaminazione, cioè il distaccamento tra strati contigui del laminato, ci può essere la rottura delle fibre, può venire meno l'adesione tra fibre e matrice, possono partire cricche dalla matrice. I criteri per progettare tenendo conto di questi fattori sono molteplici ed allo stato attuale sono ancora in via di sviluppo. Per questo è buona norma sottoporre la bici in composito a un controllo tempestivo se si nota, ad esempio, che la vernice si sta scrostando, soprattutto nelle zone più sollecitate del telaio. A differenza dei materiali metallici, il composito, quando si rompe, lo fa in modo catastrofico. Bisogna fare attenzione. E’ necessario verificare, ad esempio, che reggisella, attacco manubrio e manubrio presentino la coppia di serraggio giusta.
“I meccanici dovrebbero utilizzare a tal proposito la chiave dinamometrica in quanto un eccessivo serraggio può determinare delle sollecitazioni eccessive nei punti in cui viene serrato il componente, aumentando il rischio che questo raggiunga il limite di rottura.
Il consiglio per l’utente finale è dunque di affidarsi sempre a un meccanico qualificato.”
Grande attenzione va posta anche per quanto riguarda la sverniciatura dei telai in composito in quanto, essendo il confine tra vernice e resina molto difficile da individuare, un'errata esecuzione di tale processo può causare danni strutturali.
Dottor Federico Giubilato
Laurea specialistica in Ingegneria meccanica con studi svolti nel settore ciclo
