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Prendi qualsiasi materiale di marketing da qualsiasi numero di marche di biciclette che offrono un telaio in fibra di carbonio e sei sicuro di essere inondato da un gergo vago sui materiali e sui metodi di costruzione utilizzati. Dai un’occhiata più profonda e scoprirai che così tante marche stanno effettivamente parlando di cose simili, eppure il risultato finale è spesso così vario.
Proprio come vi dirà uno chef di un ristorante stellato Michelin, le materie prime sono solo un singolo aspetto del prodotto finale. Dare quegli ingredienti identici ad un altro chef e il risultato sarà sicuramente uno diverso. Potrebbe non essere peggio, ma i sapori, le trame e la presentazione varieranno notevolmente. L’uso della fibra di carbonio per realizzare un telaio non è diverso, e in questa analogia, ingegneria dettagliata, corretta selezione dei materiali, design del layup e coerenza produttiva si combinano per separare i sosia dagli esperti e persino gli esperti l’uno dall’altro.
Quindi, come viene utilizzata esattamente la fibra di carbonio per realizzare un telaio? Quali sono i diversi metodi di costruzione? Perché il termine stesso è così fuorviante nel mondo del ciclismo? E se le materie prime sono le stesse, perché un telaio funziona meglio di un altro? Per esplorare tutto questo e molto altro, abbiamo ottenuto l’aiuto dei maghi della carbon manufacturing statunitensi di Allied Cycle Works (un marchio di HIA Velo) e dello specialista australiano di riparazione del carbonio Raoul Luescher di Luescher Teknik, per ottenere le loro intuizioni sulla magia nera della produzione di telai.
Che cos’è la fibra di carbonio?
Prima di approfondire come un telaio viene ad essere, dovremmo iniziare con una spiegazione della materia prima. La fibra di carbonio inizia il suo viaggio come polimero, che viene trasformato attraverso varie fasi di riscaldamento in lunghe stringhe di atomi di carbonio. Queste lunghe corde, o filamenti, siedono a circa 5-10 micron di diametro ciascuno, 10-20 volte più piccolo del capello umano medio.
Questi singoli filamenti vengono poi raggruppati insieme per formare un nastro sottile, o traino. E proprio come un filo diventa una corda, che poi diventa una corda, filamenti di carbonio lavorano insieme per formare qualcosa di estremamente leggero e forte.
Il numero di filamenti utilizzati per traino è una metrica comune nel mondo del ciclismo, ed è tipicamente misurata in migliaia. Ad esempio, un rimorchio di carbonio con 3.000 filamenti è tipicamente dato la designazione di 3K; 6.000 filamenti è 6K, e così via.
Anche la resistenza effettiva e la rigidità delle singole fibre possono variare, con la rigidezza descritta come modulo. Il modulo più alto si ottiene raffinando sempre più il processo di produzione del filamento, spogliando ogni filamento sempre più in basso e rendendolo progressivamente più liscio e più sottile. Mentre più ad alta intensità di risorse, questi filamenti più sottili anche sedersi più strettamente insieme in un rimorchio, e aumentare la rigidità del rimorchio complessiva. Tuttavia, il modulo più alto è associato ad una maggiore fragilità, poiché ogni filamento è più sottile.
Modulo è un termine spesso gettato in giro nei materiali di marketing, e la cosa fondamentale da sapere è che non esiste una standardizzazione nel modo in cui il modulo è descritto, almeno nell’industria della bicicletta: il materiale “ultra high modulus” di un marchio può effettivamente essere più flessibile del carbonio “low modulus” di un altro marchio. Ancora più importante, è come vengono applicate queste diverse rigidità del carbonio che contano di più, e i migliori telai useranno sempre un mix di moduli.
Dal carbonio al composito
I rimorchi di fibra di carbonio sono difficilmente utili da soli, poiché in questa fase sono solo pezzi di materiale asciutti e flessibili. È qui che viene rivelato uno degli elementi più fuorvianti. Tutto il materiale in fibra di carbonio utilizzato nel ciclismo deve essere legato in qualche modo, di solito con una resina epossidica in due parti. L’aggiunta di resina alla fibra di carbonio trasforma il materiale in un composito, o per usare il termine ingegneristico più specifico, polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP). Come il materiale è anche di solito a strati, il composito è spesso indicato come un laminato, troppo.
Dove la fibra di carbonio è estremamente forte e leggera, la resina è relativamente pesante e debole. L’obiettivo con un tale composito è quello di utilizzare meno resina possibile per mantenere la fibra di carbonio in posizione. È qui che il carbonio a modulo più alto brilla davvero, poiché gli spazi più piccoli tra i filamenti richiedono meno resina da riempire.
Alcuni produttori varieranno le caratteristiche prestazionali della struttura finita attraverso l’uso di altri tipi di fibre e resine modificate, come epossidici compositi infusi con vetro o nanotubi di carbonio (filamenti microscopici). Allied Cycle Works utilizza un materiale di rinforzo noto come Innegra nei suoi telai, mentre altri sono stati conosciuti per includere materiali come aramide per aumentare la resistenza agli urti del laminato.
La maggior parte dei produttori di telai costruisce telai con fogli di fibra di carbonio pre-impregnati con resina non indurita – meglio nota come pre-preg – applicati su un supporto di carta antiaderente e spediti su rotoli di grandi dimensioni. La resina si attiva con il calore, e quindi questi fogli pre-preg vengono conservati in un congelatore fino a quando necessario. Questo processo aiuta a garantire una copertura uniforme della resina in tutto il telaio, un maggiore controllo finito sul lay-up e tempi di lavoro ridotti.
Nella maggior parte dei casi, le fibre in quei rotoli sono tutte unidirezionali, con tutte le fibre che corrono in una direzione parallela. Questo orientamento fornisce la massima resistenza e rigidità in una direzione, ma a scapito della minima resistenza e rigidità nella direzione ortogonale. In alternativa, i rimorchi possono essere tessuti insieme a vari angoli, spesso in un modello incrociato, in modo che il materiale possa essere ugualmente forte in più direzioni.
“Il pre-preg unidirezionale (UD) è comune perché ha proprietà specifiche più elevate ed è più facile da posare su un angolo di fibra specifico”, afferma Luescher. “è più facile da posare in posizioni di geometria complessa e dove i carichi sono meno definiti. Fornisce anche una migliore tolleranza ai danni in quanto è meno probabile che si delamini a causa dell’incastro meccanico delle fibre. I tessuti vengono spesso utilizzati in posizioni in tutto il telaio come inserti, gusci del movimento centrale, tubi di testa e ovunque siano praticati fori per supporti per bottiglie, guide per cavi, ecc.”
Mentre il prepreg è di gran lunga il materiale più comune nell’industria del ciclismo, altri metodi di costruzione iniziano con le fibre secche.
L’avvolgimento di filamenti, ad esempio, avvolge fogli o nastri di fibra di carbonio secca attorno ad un mandrino solido di forma nominalmente cilindrica. La resina viene applicata durante il processo di avvolgimento e quindi l’intero assemblaggio viene curato sotto calore e pressione.
In un altro metodo, il tempo tesse i propri tubi di carbonio in-house dal rimorchio di carbonio secco – un po ‘ come come sono fatti i calzini. Quel tubo asciutto viene quindi fissato in uno stampo e la resina viene iniettata ad alta pressione utilizzando un processo che chiama Resin Transfer Moulding.
Indipendentemente dal metodo utilizzato per formare la forma finale di una struttura, spetta all’ingegnere garantire che i giusti tipi di fibra di carbonio (e resine) siano utilizzati nei punti giusti e nei giusti orientamenti per il miglior risultato finale. I progettisti di telai devono pesare una vasta gamma di parametri, come rigidità vs fragilità e peso vs durata. Anche la resistenza agli urti e, naturalmente, il costo, devono essere considerati nell’equazione. In generale, però, le possibilità di progettazione di un telaio in carbonio sono spalancate e, se fatto bene, l’aspettativa di vita di un telaio in carbonio può essere quasi infinita.
Il processo di progettazione in poche parole
Progettare un telaio non è un’impresa rapida e quindi è impossibile rendere giustizia al soggetto qui. Indipendentemente dalla marca o dal modello del telaio, il processo è ampio e varia notevolmente tra le diverse marche.
La maggior parte dei telai in fibra di carbonio hanno probabilmente una genesi simile – il marchio definisce lo scopo del telaio e che c’è domanda per esso. Dopo tutto, se avete intenzione di investire ampie risorse, è meglio essere sicuri di poter commercializzare.
Il passo successivo vedrebbe i marchi definire ciò che il nuovo telaio deve raggiungere. Data la maturità dei telai per biciclette in fibra di carbonio a questo punto, di solito è il miglioramento continuo che guida il cambiamento, e raramente si ottiene una vera innovazione. Questo è il motivo per cui ogni pochi anni si vede un marchio aggiornare un modello esistente con miglioramenti iterativi e incrementali, piuttosto che riprogettazione all’ingrosso di prodotti che sono già abbastanza raffinato. Questo è tanto il risultato di imparare da errori passati o precedenti limitazioni progettuali, quanto è un segno del continuo sviluppo nell’uso della fibra di carbonio.
Luescher spiega che il progresso nei telai in fibra di carbonio è principalmente dovuto a un controllo di processo più coerente.
“Sebbene ci siano stati progressi nei gradi di fibra, che sono spesso al centro dei reparti di marketing, la compattazione e lo stampaggio affidabili superano i guadagni teorici derivanti da un solo cambiamento di materia prima”, ha affermato. “La maggiore uniformità della compattazione ha portato a difetti ridotti, proprietà del laminato più coerenti e quindi maggiori prestazioni strutturali. Essendo in grado di produrre laminati più coerenti, i modelli strutturali sono meglio in grado di ottimizzare il layup del telaio per produrre telai più leggeri, più resistenti e più resistenti alla fatica che non richiedono un fattore di sicurezza così grande come richiesto in precedenza.”
Secondo Sam Pickman, direttore del prodotto e dell’ingegneria di Allied Cycle Works, lo sviluppo digitale gioca un ruolo enorme dopo che il concetto iniziale è stato finalizzato.
” Qui ci immergiamo nel design in modo importante, tra cui l’analisi 3D FEA, CFD se necessario e, soprattutto, come lo faremo. Decidiamo se e dove il telaio sarà diviso , quali materiali vogliamo usare, come lo pre-formeremo, come vogliamo che l’utensile assomigli, eccetera.”
I prototipi Rideable sono costosi e in genere arrivano molto più tardi nel processo. Secondo Pickman, Allied utilizza prima un campione stampato in 3D della bici per testare il montaggio dei componenti, l’estetica generale e un piano di produzione.
” Una volta chiarito questo, inizia la progettazione e la produzione di utensili e vengono creati i manuali di ply. Una volta completati gli strumenti, iniziamo lo sviluppo delle parti. Questo è quando stiamo fisicamente facendo e rompendo parti. Dopo tutto lo sviluppo digitale, siamo abbastanza fiduciosi, ma di solito sono necessarie alcune revisioni per ottenere le prestazioni di cui abbiamo bisogno. Una volta superato il test, iniziamo a guidare le moto e raccogliere feedback. Allo stesso tempo, iniziamo la formazione del personale sui nuovi processi. Quando avremo chiarito tutto, lanceremo una corsa pilota per risolvere i nodi.”
Processi di produzione
Ci sono diversi modi per trasformare quegli ingredienti grezzi di fibra di carbonio e resina in un telaio per bici. Mentre ci sono alcuni giocatori di nicchia con tecniche non convenzionali, la stragrande maggioranza del settore ha adottato il metodo monoscocca.
Produzione monoscocca
Un termine comunemente usato per descrivere i moderni telai per biciclette in fibra di carbonio, il design monoscocca significa efficacemente che l’oggetto gestisce i suoi carichi e le sue forze attraverso la sua singola pelle. In realtà, i veri telai per bici da strada monoscocca sono estremamente rari, e la maggior parte di ciò che si vede nel ciclismo presenta solo un triangolo anteriore monoscocca, con i foderi e i foderi prodotti separatamente e successivamente incollati insieme. Questi, una volta costruiti in un telaio completo, sono più correttamente definiti una struttura semi-monoscocca, o monoscocca modulare. Questa la tecnica utilizzata da Allied Cycle Works, ed è di gran lunga la più comune nell’industria della bicicletta.
Indipendentemente dal fatto che la terminologia del settore sia corretta, in genere i primi passi vedono grandi fogli di carbonio pre-preg tagliati in singoli pezzi, ognuno dei quali è posizionato in un orientamento specifico all’interno di uno stampo. Nel caso di Allied Cycle Works, la scelta specifica del carbonio, il layup e l’orientamento vanno tutti insieme in un manuale di ply, altrimenti noto come layup schedule. Questo descrive in modo specifico esattamente quali pezzi di carbonio pre-preg vanno dove all’interno dello stampo. Pensate a come un puzzle, dove ogni pezzo è numerato.
I telai in fibra di carbonio sono spesso percepiti come economici e facili da produrre, ma la realtà è che questo processo di stratificazione è estremamente dispendioso in termini di tempo e costoso. Secondo Allied Cycle Works, il telaio Alfa road utilizza 326 pezzi singoli di carbonio pre-preg nel telaio e 170 nella forcella, tutti accuratamente posati a mano, in una sequenza specifica e in più strati, seguendo il manuale dell’ingegnere.
“Il modo in cui gli strati si sovrappongono a un altro aiuta a spiegarsi quando la viscosità della resina diminuisce”, ha spiegato Pickman. “Il più facile possono scorrere e riempire lo strumento, il consolidamento migliore si ottiene. La dimensione della preforma è solo garantire che gli strati non debbano spostarsi molto per arrivare alla loro forma finale. Più hanno bisogno di muoversi, più problemi si ottiene, compresi i problemi di consolidamento.”
Realizzato per essere specifico per modello e dimensione, lo stampo detta la superficie esterna e la forma del telaio. Questi stampi sono tipicamente lavorati in acciaio o alluminio, costruiti per un uso ripetuto e senza varianza.
Tuttavia, la superficie esterna è solo una parte della storia, e il carbonio deve anche essere compresso dall’interno per garantire una corretta compattazione e che non si creino vuoti (punti deboli). Qui vengono utilizzate varie tecniche. Le vesciche gonfiabili, che a volte sono appena lasciate nel telaio, sono forse le più comuni. Altri esempi includono mandrini di schiuma o cera che possono essere sciolti; mandrini di silicio flessibili; e talvolta anche mandrini più solidi, siano essi di plastica o metallo.
Il processo di Allied è abbastanza comune tra le opzioni di frame premium e su larga scala. Il telaio è stratificato attorno a una rete di vesciche gonfiabili e preforme semi-solide su un lato di uno stampo a due pezzi a conchiglia, e l’altro lato dello stampo è fissato in cima una volta completato il lay-up.
Da qui, lo stampo viene completamente sigillato con un sacco a vuoto prima di essere spostato nella fase di sfuso. “Il de-bulking è un processo tra lay-up e cura in cui si applica il vuoto e un po ‘di calore alla parte e si estrae quanta più aria possibile prima della polimerizzazione”, ha spiegato Pickman.
Nel caso di Allied, lo stampo viene quindi rimosso dal sacco a vuoto e inserito in una pressa riscaldata. Ancora una volta, il telaio interno viene riscaldato per consentire il flusso di resina, mentre le vesciche interne sono pressurizzate per dare la rassicurazione finale che si ottiene una corretta compattazione del materiale. Questo processo di polimerizzazione aumenta la pressione interna in modo incrementale con l’obiettivo di spingere le pieghe verso le parti più esterne dello stampo. Sia questo che il de-bulking lavorano insieme per aiutare ad eliminare vuoti d’aria, pieghe di fibre o altri potenziali riser di stress nel materiale, il tutto rimuovendo la resina in eccesso.
Dopo la polimerizzazione, il telaio viene estratto dal suo stampo e le vesciche d’aria interne e le preforme vengono rimosse. I forcellini, i foderi e i foderi vengono poi incollati con il triangolo anteriore. Questi legami sono sovrapposti con strisce aggiuntive di fibra di carbonio per fornire sia un supporto strutturale extra che una finitura superficiale senza cuciture, e tutto questo assemblaggio viene eseguito in una maschera per garantire un perfetto allineamento.
Ora sembra una cornice, il passo successivo è la levigatura e la preparazione della vernice. Un processo arduo di dettagli raffinati assicura che non siano visibili residui di resina o segni dello stampo. In particolare, i produttori presteranno molta attenzione ai giunti di incollaggio, che spesso richiedono il maggior trattamento dall’assemblaggio del telaio.
In questo stesso punto avvengono le perforazioni per le gabbie delle bottiglie d’acqua, il supporto del deragliatore anteriore e i sistemi di gestione dei cavi. Con una miscela di rivnuts (rivetti filettati), rivetti e resina epossidica tipicamente utilizzati per fissare permanentemente gli elementi, questi vengono accuratamente aggiunti alle aree che sono già state rinforzate in preparazione durante la fase di lay-up.
All in, la creazione di un unico telaio Allied Alfa, che è interamente prodotto in-house negli Stati Uniti, si dice che prendere circa 24 ore di lavoro.
“In tempo reale, ci vogliono circa 10 giorni per una bici per attraversare l’edificio”, afferma Pickman.
Se fatto bene, il design monoscocca produce un prodotto incredibilmente forte e leggero, il tutto con una sovrapposizione minima di materiali. È per questo motivo, oltre al modo in cui le proprietà meccaniche della fibra di carbonio possono essere controllate così attentamente, che la produzione monoscocca è la scelta migliore per costruire un telaio con il più alto rapporto rigidità / peso. Se guardi le moto usate nel MondoTour, ad esempio, tutte tranne la Colnago C60 di UAE Team Emirates utilizzano una tecnica di produzione modulare-monoscocca.
La produzione monoscocca non è priva di alcuni svantaggi, legati principalmente all’accessibilità e ai costi.
In primo luogo, come descritto sopra, questo metodo è estremamente laborioso. Anche una fabbrica ben attrezzata ed efficiente come Allied richiede un tempo relativamente lungo per produrre un telaio. Questo è uno dei motivi principali per cui la maggior parte delle biciclette in fibra di carbonio del mondo sono prodotte in Asia – quando la manodopera comprende la maggior parte dei costi di produzione, ha senso ridurre al minimo il costo del lavoro il più possibile.
In secondo luogo, è necessario creare stampi specifici per ogni disegno del telaio e, all’interno di ciò, ogni dimensione del telaio richiede anche il proprio stampo. Considerando come alcuni produttori offrono 12 dimensioni, o anche più geometrie per ogni dimensione, è facile vedere la spesa intrinseca in questo processo. Secondo Pickman, l’investimento di stampaggio di Allied per un nuovo design di telaio e forcella in una gamma di dimensioni complete, inclusa l’attrezzatura specifica di accompagnamento, costa circa US US 160,000.
Per ovviare a ciò, molti produttori lavorano su un ciclo di vita di due o tre anni per la progettazione di un telaio in carbonio, al fine di recuperare i costi per un periodo prolungato. È uno dei motivi principali per cui non si vedono artisti del calibro di Giant o Specialized uscire con un nuovo modello di telaio ogni anno.
Con tali costi di utensili, i marchi e i produttori più piccoli hanno difficoltà a giustificare le risorse quando non ci sono quantità di produzione per sostenere l’investimento. In molti casi, questo è ciò che porta all’utilizzo di stampi open source o generici da parte di marchi più piccoli o scontati.
Tube to tube
I produttori di boutique specializzati in geometrie, fit e lay-up personalizzati trovano estremamente difficile produrre disegni monoscocca ad un prezzo commerciabile, quindi spesso si rivolgono a un altro metodo di produzione del telaio chiamato tube-to-tube. Nel concetto, non è poi così diverso da come sono realizzati i telai in acciaio, titanio e alluminio saldati.
In questo processo, ogni tubo del telaio in carbonio viene prodotto separatamente e talvolta proviene direttamente da un produttore di tubi in carbonio. Questo metodo offre una barriera più bassa all’ingresso per i costruttori di avere il controllo sulla geometria, la rigidità e la qualità di guida di un telaio. La selezione del tubo determina le proprietà prestazionali che un costruttore di telai cerca e la lunghezza del tubo personalizzata determina la geometria.
Con i tubi selezionati e tagliati a misura, sono squadrati in modo da adattarsi perfettamente tra loro. Quindi viene utilizzata una maschera mentre i tubi vengono uniti per creare una cornice. Costruttori spesso epossidico i tubi insieme, e quindi utilizzare pre-tagliati, pre-preg fogli per avvolgere i tubi insieme e rafforzare le articolazioni.
Alcuni metodi più avanzati vedranno il telaio poi messo in un sacco a vuoto o anche in uno stampo rigido o flessibile per aiutare con la compattazione, mentre altri passeranno direttamente alla preparazione finale una volta che la resina guarisce.
Questo metodo è popolare per telai geometrici personalizzati in quanto consente una vasta gamma di controllo su angoli specifici e lunghezze del tubo. Tuttavia, è un processo che richiede un approccio qualificato per garantire la sicurezza a lungo termine. Inoltre, ci sarà una sovrapposizione di materiale più ridondante in questo metodo rispetto a ciò che è possibile con la tecnica monoscocca.
Carbonio trascinato
Proprio come il metodo tubo a tubo, i telai in carbonio trascinato vedono singoli tubi uniti pezzo per pezzo per creare un telaio. Tuttavia, dove i giunti tubo-tubo sono confezionati singolarmente, i telai in carbonio trascinati utilizzano più di un processo plug-and-play in cui i tubi squadrati sono legati in anse preformate – di nuovo, proprio come i loro analoghi metallici.
Spesso anche le alette dei moderni telai in carbonio sono in carbonio, come sulla Colnago C60, ma non sempre è così. Come tube-to-tube, la costruzione lugged offre una generosa flessibilità in termini di geometria del telaio, rigidità del telaio e qualità di guida, con le possibilità limitate solo dalle alette disponibili.
Uno degli esempi più recenti ad alta tecnologia è Bastion, di Melbourne, Australia, che utilizza alette in titanio stampate in 3D per un controllo personalizzato completo con ogni ordine. La Teammachine BMC originale, come quella guidata da Tyler Hamilton su Phonak, utilizzava alette in alluminio con tubi in carbonio, e molto prima di questo, Trek ha aperto la strada alla produzione di massa della tecnologia con il suo telaio da strada 2300.
Proprio come con la costruzione tube-to-tube, tuttavia, i telai trascinati presentano intrinsecamente più sovrapposizione di materiale rispetto a quelli monoscocca, e quindi restituiscono un rapporto rigidità-peso inferiore.
Controllo e test di qualità
Ciò che non è ovvio sono i passi che alcuni produttori intraprendono lungo la strada per garantire che i telai finiti soddisfino effettivamente l’intenzione di progettazione e, in altre parole, siano sicuri da guidare.
Mentre esistono alcuni standard di settore in questo settore, come le certificazioni CEN e ISO, ciò che Allied Cycle Works – e la maggior parte degli altri grandi marchi – possono essere considerati le pratiche più comuni. Oltre alle frequenti ispezioni visive, le singole parti e i sottoinsiemi vengono pesati individualmente per garantire che la giusta quantità di resina sia stata infusa in ciascun componente. Grazie in parte ai minori volumi di produzione di Allied, anche le materie prime vengono tracciate.
Il fornitore tedesco di telai Canyon arriva addirittura a ispezionare forche e telai con una macchina a raggi X, che fornisce un modo più dettagliato e non distruttivo per esaminare le parti composite finite.
Un telaio finito
Tutto detto e fatto, la creazione di un telaio in carbonio è un processo che richiede tempo e rimane sorprendentemente pratico. Per un materiale con così tanta versatilità nel suo utilizzo, non c’è dubbio che il diavolo è nei dettagli – soprattutto quando si tratta di creare qualcosa che è altrettanto leggero, forte, conforme e sicuro.
Da lontano, non è cambiato molto nella realizzazione di biciclette in carbonio nel corso degli anni. Tuttavia, guardare più in profondità, e vedrete la comprensione più fine dell’applicazione materiale e migliorato controllo di qualità ha portato a un prodotto che è superiore a quello che era disponibile negli anni passati. Indipendentemente dalla forma estetica di un telaio, è sicuro dire che le vere prestazioni della fibra di carbonio si trovano ben al di sotto della superficie.
