Spiegazione dei materiali del telaio della bicicletta: fibra di carbonio

Sembra che la fibra di carbonio abbia preso il sopravvento come materiale preferito per il telaio della bicicletta.

Ma non è sempre stato così. Negli anni '80 e '90, l'acciaio e l'alluminio dominavano il settore. Il titanio era per telai o biciclette personalizzati sulla punta della lancia. I telai per bici in fibra di carbonio stavano cominciando a diffondersi, ma il materiale era ancora irraggiungibile per la maggior parte.

I prezzi sono cambiati in modo interessante negli ultimi 30 e più anni di sviluppo dei telai delle biciclette. La fibra di carbonio, il materiale per telai più raro del passato, è ora comune. Sebbene siano ancora costosi, i prezzi sono scesi.

L’acciaio era conveniente e può ancora esserlo. Ma ora, i costruttori personalizzati ottengono prezzi premium per quello che era il materiale del telaio più comune. Il titanio e l'alluminio sembrano aver mantenuto la loro posizione relativa nella gerarchia dei prezzi dei materiali del telaio.

Questa è la nostra analisi dei come e dei perché dei telai per biciclette in fibra di carbonio.

La fibra di carbonio è un materiale eccellente con cui realizzare il telaio di una bicicletta. Il rapporto resistenza-peso dei telai per bici in carbonio è imbattuto e i marchi possono “programmare” altre caratteristiche. I produttori possono modificare la dimensione e la direzione delle fibre, il modello di tessitura, se presente, il numero di strati, la forma dei pezzi e l'agente legante.

I telai in fibra di carbonio partono da quello che sembra; filamenti sottili da 10 a 20 volte più piccoli di un capello umano. I fornitori di tessuti in carbonio raggruppano i filamenti per formare un “traino” o un nastro. Il numero di filamenti per tow descrive comunemente il carbonio nel settore del ciclismo. Il carbonio “3K” ha 3.000 filamenti per tow.

I fornitori combinano le fibre di carbonio con un agente legante, solitamente una resina epossidica in due parti. In questa fase, la resina e il traino sono ora un materiale composito che l’industria chiama polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP).

I soli filamenti di carbonio sono incredibilmente leggeri. La resina epossidica, al contrario, è pesante. Pertanto i produttori fanno tutto il possibile per limitare la quantità di resina e gli eventuali vuoti all’interno del composito.

La “ricetta” di filamenti e resina che seguono i produttori di fibra di carbonio influisce sul “modulo” della fibra di carbonio. Questo termine appare spesso nei materiali di marketing per telai e ruote di biciclette in fibra di carbonio. Il modulo si riferisce alla rigidità del CFRP.

Sebbene possa sembrare che una maggiore rigidità sia migliore, significa anche che la fibra di carbonio ha meno resistenza. Quindi, come molti aspetti di una bicicletta, è un compromesso. Inoltre, la fibra di carbonio a modulo più elevato è più costosa da produrre.

Il tessuto in fibra di carbonio viene solitamente spedito ai produttori di telai in rotoli “prepreg”. Il fornitore della fibra di carbonio impregna il tessuto con resina epossidica, quindi il produttore del telaio non deve eseguire questo passaggio. Il materiale è pronto per essere tagliato a pezzi e adagiato negli stampi.

Almeno un marchio applica la resina al tessuto secco in fibra di carbonio drappeggiato su forme di cera. Altri processi, comestampa del telaio della bicicletta in fibra di carbonio, si stanno sviluppando.

La maggior parte delle biciclette e dei componenti in fibra di carbonio oggi utilizzano la resina epossidica come agente legante. Alcune aziende più piccole utilizzano polimeri a catena lunga come agenti leganti. Ciò conferisce una diversa caratteristica di flessione al prodotto finale. E lo rende anche riciclabile, mentre i prodotti in fibra di carbonio che utilizzano resina epossidica non lo sono.

I produttori di telai creano le proprie “ricette” di pezzi in fibra di carbonio, inseriti in stampi di loro creazione e “cotti” nel loro processo specifico. Ognuna delle numerose variabili conferisce al telaio della bicicletta la rigidità laterale, la conformità verticale, la resistenza agli urti e altri attributi fisici su cui si concentra il team di progettazione.

I lavoratori stendono il tessuto preimpregnato in fibra di carbonio sui tavoli e ne tagliano le centinaia di singoli pezzi che compongono un telaio. Questi pezzi vengono poi posati a mano in stampi, solitamente in metallo, secondo l'ordine e la direzione delle fibre specificati dagli ingegneri.

I marchi di telai in fibra di carbonio determinano la quantità di sovrapposizione e il numero di strati necessari per produrre gli attributi desiderati. Il "manuale di istruzioni" per questo processo di stratificazione è il programma di stratificazione, che può variare per ciascuna dimensione del telaio per gestire i diversi carichi.