Paul Lew: la variabilità della fibra di carbonio

Paul Lew: la variabilità della fibra di carbonio

16/04/2014
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16/04/2014

Nuova puntata della serie dedicata alla dinamica delle ruote da parte di Reynolds e del suo Direttore Innovazione e Tecnologia Paul Lew.

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Nei precedenti articoli si è discusso di incrocio raggi e rigidità della ruota, in questo si tratterà della variabilità della fibra di carbonio, evidentemente nell’utilizzo per ruote.

Al contrario delle leghe di alluminio standard come le serie 6000 o 7000, la fibra di carbonio manca di uno standard comune. Ciò presenta delle difficoltà, ma allo stesso tempo enormi possibilità di personalizzazione. Reynolds abbraccia le infinite combinazioni di fibra di carbonio disponibili e lay-up delle stesse, ed assegna differenti formule per ogni specifica area del cerchio, le tecnologie MR5, CR6 e PR3.

Altra complessità ed altro modo in cui metallo e carbonio differiscono è che il carbonio richiede “un sistema” di carbonio e resina assieme. In maggior dettaglio:

La fibra di carbonio è conosciuta nella progettazione ingegneristica come “rinforzo”. Tipicamente è divisa in categorie a seconda della rigidità e misurata secondo “moduli di elasticità” o MSI  (in riferimento ai milioni di libbre per pollice quadrato). Il “modulo” è catalogato come segue:

– Basso modulo  < 33 MSI

– Modulo Standard 33-34 MSI

– Modulo intermedio 42-43 MSI

-Alto Modulo 55-70 MSI

– Modulo ultra alto 70+ MSI

Come regola generale, più il modulo è alto più la resistenza decresce e la fibra è delicata. I gradi del modulo che si associano al “miglior uso” nell’industria delle ruote da bicicletta sono lo standard e l’intermedio.

La resina è l’adesivo che unisce le fibre di carbonio assieme. Ci sono molte caratteristiche che gli ingegneri esaminano per determinare il risultato voluto, come la laminazione o la resistenza allo scollamento. Per la progettazione dei cerchi è diventata molto importante la Tg nella selezione delle resine. La Tg, o temperatura di transizione vetrosa, rappresenta il punto in cui la resina del sistema fibra+ resina comincia a perdere le proprie caratteristiche. Un eccesso nella Tg può provocare la deformazione del cerchio.

I due componenti fondamentali della fibra di carbonio, la fibra e la resina hanno quindi diverse opzioni per ciascuna che possono essere utilizzate nel processo di progettazione.

Diamo ad esempio un’occhiata alle specifiche della fibra di carbonio e della resina utilizzata da Reynolds:

XYZ123-34-700-120G-R/C33%+/3%

Traduzione:

XYZ = codice di identificazione del produttore della fibra
123 = Codice numerico per la resina. Questo codice contiene i riferimenti sulle proprietà della resina.
34 = Rinforzi di fibra di carbonio in modulo standard
700 = Carico di rottura  (Ksi, -kilopound per square inch-), in questo caso 700.000 libbre per pollice quadrato.
120G = 120 grammi per metro quadrato è il peso del materiale (120G ha uno spessore di 0.0035 pollici ovvero 0.0889 millimetri)
R/C33% = Contenuto di resina  (percentuale di resina rispetto la percentuale di fibra)
+/-3% = Variabilità (tolleranza) del contenuto di resina. Questo significa che il vero contenuto di resina per questo caso specifico rientra in un range da 30% – 36%

Oltre al modulo del carbonio ed il carico di rottura della fibra l’ingegnere deve determinare il peso appropriato e lo spessore per ogni strato individuale, determinandolo sul peso del singolo foglio.

Questo peso può variare da 35 grammi per metro quadro a 300 grammi per metro quadro. Questi pesi sono determinati dallo spessore dei fogli che possono variare da 0.0381 mm a 0.1143 mm. Le pareti di un cerchio in carbonio tipicamente sono composta da 3 a 6 fogli. Il lato raggio/nipple da 70 a 25 fogli.

La resina utilizzata da Reynolds Cycling è un composto “caldo” che è utilizzato nei rinforzi unidirezionali. La somma di fibra e resina è conosciuta come pre-impregnata o “pre-preg“. Il pre-preg è la forma più accurata di carbonio grezzo e resina. Al contrario della resina “liquida” (spazzolata o posata sulle fibre asciutte) il pre-preg è calibrato al computer secondo tolleranze e specifiche precise.

Reynolds specifica che il suo pre-preg è un sistema di resina “netta”, cioè che la quantità di resina nel sistema pre-preg è misurata accuratamente in modo da non lasciare resina residua dopo lo stampo.

Creare le specifiche per uno stampaggio a resina netta è molto complicato, ma determinare queste specifiche migliora la produttività considerevolmente. La resina in eccesso genera tempi di lavoro elevati per la pulitura degli stampi, mentre resina insufficiente porta ad avere fibra “secca” che non è completamente coperta da resina, con conseguente scarsa resistenza.

Da una prospettiva delle specifiche del materiale questo riassume i concetti basilari riguardo la progettazione con la fibra di carbonio, ma le specifiche del materiale sono solo una parte dell’equazione. L’altro aspetto chiave è il processo di stampaggio che è un lavoro che richiede capacità “artistiche” e conoscenza scientifica precisa di pressione, tempo e temperatura.

Questo processo sarà l’oggetto del prossimo articolo.