Alluminio vs carbonio: la guerra dei materiali!

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com

Bentornati al nostro appuntamento settimanale con il tech corner, rubrica di approfondimento suglia spetti tecnici della MTB in esclusiva su mtb-forum.it!

Questoggi non ci occupiamo di officina, ma ci occupiamo di un argomento molto dibattuto: i materiali con cui vengono realizzati i telai da MTB. In particolare ci occuperemo di quelli ad oggi più utilizzati dalla stragrande maggioranza dei costruttori: l'alluminio e il carbonio.

Chiaramente in questo articolo non ci poniamo l’obiettivo di trattare in maniera approfondita tutti gli aspetti e le peculiarità che caratterizzano questi due materiali (si potrebbe scrivere un libro al riguardo!), ma ci limiteremo a dare una panoramica sulle caratteristiche dei due materiali in modo da essere in grado di scegliere in modo un minimo consapevole tra le varie proposte del mercato.

La fibra di carbonio ha avuto una grandissima diffusione nel settore delle bici da strada, tanto che oggi la stragrande dei telai sono realizzati in questo materiale. La grossa diffusione della fibra di carbonio nel mondo MTB ha negli scorsi anni interessato prevalentemente quei settori più vicini alla bici da corsa, ovvero il mondo dell’XC/marathon. D’altronde risulta evidente come i requisiti di una bici XC siano molto vicini a quelli di una bici da corsa e pertanto se la fibra di carbonio è risultata vincente nel mondo delle bici da strada, non c’è da stupirsi che stia avendo successo anche nel mondo XC/marathon.
Tuttavia alcuni produttori hanno incominciato a proporre telai in carbonio anche per discipline più gravose per i mezzi, come possono essere l’enduro e l’all mountain o addirittura il mondo della DH.

Evoluzione tecnologica o puro marketing? Impossibile dirlo senza conoscere un minimo questi due materiali.

Una piccola presentazione.[FONT=&quot]
Cominciamo con una piccola presentazione dei due materiali, cosa sono e quali caratteristiche hanno.
I MATERIALI COMPOSITI IN FIBRA DI CARBONIO.[/FONT]

La cosiddetta “fibra di carbonio” o “carbonio” è in realtà un materiale composito composto da due fasi:

- una matrice, generalmente in resina epossidica (quindi di natura polimerica)
- un rinforzo costituito da un intreccio di filamenti di carbonio, intrecciati come se si trattasse di un tessuto.
I filamenti intrecciati costituiscono l’elemento che è in grado di conferire le proprietà meccaniche al manufatto, mentre la matrice ha il compito di proteggere il rinforzo, di tenere in posizione le varie fibre in modo che mantengano il corretto orientamento per assorbire gli sforzi e di mantenere la forma del manufatto.
I compositi in fibra di carbonio vengono utilizzati in applicazioni di alto livello, dove sono richieste proprietà meccaniche molto elevate, resistenza alla temperatura unite a leggerezza. Industrialmente sono poco utilizzate per i loro elevati costi di produzione.

Il composito in fibra di carbonio quindi è un materiale tecnologico ed è caratterizzato da:

- anisotropia: ovvero le proprietà dipendono dalla direzione considerata. Un manufatto in fibra di carbonio può essere ad esempio estremamente resistente alla trazione longitudinale, ma poco resistente alla trazione assiale
- elevata resistenza in relazione al peso, superiore a qualsiasi lega metallica
- un costo di realizzazione elevato, legato alla complessità, all’energia richiesta e alla richiesta di apparecchiature che la sua realizzazione richiede.
- elasticità: i compositi in fibra di carbonio sono generalmente abbastanza elastici, anche se l’elasticità del manufatto finito dipende molto dalla sua realizzazione. E’ infatti possibile realizzare, intervenendo sulla disposizione delle fibre, un elemento elastico o un elemento più rigido, soprattutto per quanto riguarda le tubazioni. Generalmente comunque un telaio in alluminio è più rigido di uno in carbonio, non a caso le bici da pista vengono realizzate in alluminio.

LE LEGHE DI ALLUMINIO.

L’alluminio (Al) viene utilizzato insieme ad altri materiali (rame, zinco, manganese, silicio o magnesio) per la realizzazione delle cosiddette leghe leggere o leghe di alluminio, utilizzate in moltissimi ambiti, da quello aereospaziale a quello automobilistico, tanto che ad oggi sono uno dei materiali strutturali più utilizzati. Le tecnologie di produzione hanno subito molti sviluppi negli ultimi anni e per la loro diffusione hanno costi più contenuti.

La lega di alluminio, nonostante sia composta da diversi elementi, è caratterizzata da un’omogeneità. Senza scendere in spiegazioni fisiche relative al processo produttivo, diciamo che le leghe sono caratterizzate da un’elevata omogeneità.

Le principali caratteristiche sono:

- bassa densità: e quindi basso peso specifico, che se rapportata con le proprietà meccaniche della lega evidenzia un rapporto resistenza in relazione al peso molto vantaggioso rispetto agli altri materiali strutturali, inferiore comunque ai compositi in fibra di carbonio.
- elevata duttilità: anche a freddo che facilita il processo produttivo permettendo la realizzazione di lavorazioni anche complesse.
- resistenza a corrosione in ambiente atmosferico: che garantisce la durabilità del manufatto nel tempo.
- Elevata rigidità: hanno un modulo di Young molto basso e una rigidità molto alta.
Rispetto ad altre leghe metalliche, l’elevata rigidità delle leghe di alluminio permette ai costruttori di utilizzare tubi di sezione maggiore e spessore più basso. Infatti se un telaio di alluminio avesse un diametro dei tubi come un telaio in acciaio, lo spessore delle tubazioni dovrebbe essere tale da vanificare il risparmio di peso. Grazie anche all’elevata lavorabilità dell’alluminio è invece possibile realizzare tubazioni di diametro molto grande e spessore molto basso, sfruttando il principio che in un tubo, a parità di spessore delle pareti, la rigidezza aumenta con il cubo del diametro, mentre la massa aumenta solo in proporzione diretta. Pertanto è possibile realizzare tubi sottili ma molto rigidi e robusti, dal peso inferiore rispetto a quelli in acciaio.

Le principali leghe utilizzate nella realizzazione dei telai da bicicletta sono le cosiddette leghe per lavorazioni plastiche, in particolare le leghe dei gruppi:

- gruppo 6000 (leghe Al – silicio e magnesio) dette Anticordal: hanno una ottima lavorabilità con le macchine utensili e possono essere sottoposte al trattamento termico di indurimento per precipitazione, ma non si possono ottenere le caratteristiche che le leghe dei gruppi 2000 e 7000 possono raggiungere. Sono leghe con buona saldabilità, e dunque vengono usate nel campo navale, ferroviario, o per la costruzione di telai per biciclette e nella costruzione di infissi di alluminio.
Largamente utilizzata è la lega 6061 o altre leghe proprietarie.
- gruppo 7000 (leghe Al – zinco e magnesio) dette ergal: sono le leghe molto utilizzate in campo aerospaziale, nelle applicazioni strutturali di forza e sono in grado di raggiungere le migliori caratteristiche meccaniche tra tutte le leghe di alluminio.
Molto utilizzate in ambito ciclistico sono le: 7003/7005/7020 o altre leghe proprietarie.

Proprietà a confronto.
Vediamo ora di confrontare alcune proprietà tra leghe di alluminio e composito in fibra di carbonio. Per ragioni di spazio non possiamo effettuare un’analisi approfondita, ci limiteremo ad un’analisi qualitativa, senza riportare valori precisi.

RESISTENZA IN RELAZIONE AL PESO

Il filato in fibra di carbonio possiede delle proprietà meccaniche elevatissime. La sua resistenza meccanica varia tra 2-7Gpa (2000-7000Mpa) a seconda del filato, mentre il carico di rottura di una lega 6061 è solo di 124Mpa. La densità della fibra di carbonio è mediamente 1750 kg/m3, mentre quella dell’alluminio 6061 è di 2700 kg/m3.
In questa valutazione tuttavia si considera esclusivamente la fibra di carbonio, senza considerare la matrice in resina, di cui non si può fare a meno.
Ad ogni modo risulta evidente che le proprietà della fibra di carbonio sono tali che il composito avrà proprietà meccaniche migliori a parità di peso rispetto all’alluminio.
Inoltre orientando opportunamente le fibre è possibile migliorare le proprietà meccaniche lungo la direzioni di maggiore sollecitazione, in modo da ridurre ulteriormente il peso.

RESISTENZA A FATICA


Un materiale se sottoposto a continui sforzi alla fine si romperà anche se non è stato mai raggiunto il limite di rottura o snervamento neanche una volta, si parla quindi di rottura per fatica.
L’alluminio è noto per soffrire di affaticamento. Dopo una serie di cicli il materiale risulta indebolito e quindi col tempo perde proprietà meccaniche fino a giungere a rottura.
I materiali compositi in fibra di carbonio invece sono molto più resistenti da questo punto di vista, non a caso vengono utilizzati anche per parti soggette a continue flessioni, come i foderi bassi della Cannondale Scalpel o le sospensioni delle F1. Oggi si stanno addirittura sperimentando delle molle in fibra di carbonio, dai pesi ridottissimi.

Dinamiche di rottura.

Nella MTB, a differenza della bici da corsa, oltre alla resistenza del telaio al normale utilizzo, c’è da tenere in conto un ulteriore fattore: le cadute. Le cadute in MTB fanno parte del gioco: mentre in bici da corsa la caduta è un evento raro, un evento eccezionale, che può non essere considerato in fase di progettazione, nelle MTB l’evenienza di una caduta va tenuta in considerazione nella progettazione di un telaio durevole.

ROTTURA DEL CARBONIO – COMPORTAMENTO FRAGILE

La rottura dei materiali compositi non è semplice da schematizzare.
Ad ogni modo il comportamento dei materiali compositi in fibra di carbonio è assimilabile ad un comportamento fragile.
Se sottoponiamo un provino a trazione, questo reagirà allungandosi in maniera elastica (ovvero se cessiamo la sollecitazione il provino ritorna nella sua forma originale) fino a pervenire a rottura.

La frattura del provino sarà di tipo A, ovvero una rottura netta, quasi un taglio.
In particolare i nano tubi di carbonio non presentano deformazioni plastiche (allungamento) fino al carico di rottura, raggiunto il quale si spezzano improvvisamente. Per quanto invece riguarda la matrice di resina, come tutti i materiali polimerici è molto duttile ed elastica. E’ quindi possibile pervenire a rottura dello scheletro in fibra di carbonio, senza pervenire a rottura della matrice polimerica. Esternamente il provino sembra integro, ma in realtà è tenuto insieme solo dalla resina della matrice, con bassissime proprietà meccaniche.

ROTTURA DELL’ALLUMINIO – COMPORTAMENTO ELASTO-PLASTICO

La rottura delle leghe di alluminio invece segue un modello differente, ovvero il modello elasto plastico.
Il provino sottoposto a trazione si allunga inizialmente seguendo un comportamento elastico fino a L. Raggiunto L invece di pervenire a rottura come il carbonio, si ha una fase di deformazione plastica, in cui il provino si allunga in maniera non reversibile (terminando la sollecitazione non si ritorna alla configurazione iniziale). Ad un certo punto (punto U) si genera la strizione, ovvero un assottigliamento al centro del provino che rapidamente fa pervenire a rottura.

Si perverrà quindi ad una rottura di tipo B, con deformazione plastica visibile anche a rottura avvenuta.


CONSIDERAZIONI

Abbiamo visto che il comportamento a rottura dei due materiali è molto differente.
Andiamo ad analizzare alcune rotture dal punto di vista pratico.

A seguito di una caduta la bici schizza via rimbalzando tra le rocce. Non sappiamo di preciso in quali punti abbia colpito, ne l’intensità dell’urto.
Telaio in alluminio:

- In caso di sollecitazione oltre il limite elastico, il telaio anche se non è pervenuto a rottura si deforma plasticamente (bozzatura).
- Se si dovesse generare una crepa, questa sarebbe subito visibile. L’assenza di crepa o di bozzature è garanzia che il nostro telaio non ha subito danni e quindi possiamo utilizzarlo tranquillamente.

Telaio in carbonio:

- Non sappiamo se il carbonio si è danneggiato internamente (lesione parziale di alcune fibre) durante l’urto
- Nel caso di danneggiamento interno di alcune fibre il telaio potrebbe non essere in grado di resistere alle normali sollecitazioni d’uso e rompersi di schianto durante il normale utilizzo. Un po come succede su un tessuto: se il tessuto è sano è difficile strapparlo. Se il tessuto presenta già un inizio di strappo basterà poca forza perché si allarghi lo strappo (teoria di Griffith)

Rottura da sovraccarico. Arriviamo corti da un salto atterrando in salita, o durante il nostro giro incontriamo un’improvvisa compressione. Generiamo quindi una sollecitazione oltre il carico massimo in grado di sopportare il telaio.

Alluminio: con l’alluminio abbiamo 2 possibilità:


1) La sollecitazione supera non eccessivamente il carico limite: si rimane all’interno della fase di deformazione plastica e il componente non si spezza ma si deforma plasticamente assorbendo il surplus di energia rispetto al limite elastico.
2) La sollecitazione è nettamente superiore rispetto al carico limite: la deformazione plastica non è sufficiente ad assorbire il surplus di energia e si perviene a rottura.
Carbonio: con il carbonio invece se si supera il carico limite lo scenario è uno solo: rottura di schianto.

Risulta quindi evidente che il comportamento a rottura dell’alluminio conferisce maggiore margine di sicurezza perché:

- La presenza di danneggiamenti è facilmente visibile anche con una semplice analisi visiva. L’assenza di crepe o deformazioni plastiche (bozze) è garanzia che il materiale non si è lesionato. Nei compositi in fibra di carbonio invece si possono verificare delle rotture interne che minano la resistenza della struttura. Queste lesioni non sono individuabili se non con analisi specifiche e spesso sono la causa di rotture inaspettate (telai che si rompono senza alcun motivo apparente perché lesionati durante una precedente caduta).
- La deformazione plastica dell’alluminio superato il limite elastico costituisce un margine di sicurezza in più in quanto può essere in grado di assorbire il surplus di energia oltre il limite elastico senza far pervenire il componente a rottura.

Alcune considerazioni sul peso.
Bisogna sottolineare un altro fattore. A parità di proprietà di resistenza, la differenza di peso tra un telaio in fibra di carbonio e uno in alluminio non è molto elevata. Parliamo di pochi etti, su un telaio full da ca 3kg.
Il grosso vantaggio dei compositi in fibra di carbonio è tuttavia che è possibile alleggerire la struttura rendendo i vari elementi resistenti solo a determinate sollecitazioni, sfruttando l’anisotropia del materiale. Se per esempio su un telaio si ha una tubazione che lavora esclusivamente a trazione, con la fibra di carbonio è possibile realizzare questa tubazione in modo tale che resista esclusivamente a trazione. In questo modo è possibile risparmiare moltissimo in termini di peso, tuttavia il telaio potrà facilmente danneggiarsi a seguito di sollecitazioni straordinarie, come quelle di una caduta.

WD-40, amico o nemico della bici?
 
Ultima modifica di un moderatore:

 

bikerciuc

Biker infernalis
Feedback: 1 / 0 / 0
un'ottima analisi...

credo però che sia abbastanza raro generare per semplici errori di guida/uso sollecitazioni tali da rompere un telaio di qualità per superamento dei limiti strutturali dello stesso...
ciò perchè le primarie case costruttrici possono contare su verifiche strutturali approfondite effettuate con programmi di calcolo ad elementi finiti e con prove di laboratorio con macchinari meccanici che riproducono i diversi cicli di sollecitazione propri della vita di un telaio, secondo me comunque progettato con ampi margini di sicurezza.

Sono fermamente convinto che la maggioranza dei telai che si rompono si rompano per difetti occulti di costruzione quali cricche,soffiature per il metallo (dovute a errori di saldatura e/o a imperfezioni nel processo di trafilatura,pressofusione o altro del pezzo) o presenza di bolle d'aria nella laminazione per i materiali compositi, o errori di progettazione/realizzazione del laminato... espliciti limiti sono infatti propri dei laminati uni-direzionali in quanto in questi casi l'anisotropia è spinta al limite estremo e se, per un qualche evento, le sollecitazioni escono dai piani di applicazione previsti le caratteristiche meccaniche dei particolari/pezzi laminati in tal senso possono risultare non adeguate.

Da aggiungere che il carbonio è sempre più lavorato con tecniche pre-preg o di 'infusione' (tessuti pre-impregnati di resina e o con iniezione di resina a pressione in punti e quantità controllate) e per le bici, sempre ed assolutamente, in autoclave in regime di vuoto e a temperatura controllata. L'utilizzo della giusta quantità di resina infatti, oltre a ridurre il peso, garantisce una densità ottimale del materiale e una migliore coesione tra gli strati della laminazione...

nel dubbio, poi, meglio un laminato a più strati incrociati di piccolo spessore che non a pochi strati di grande spessore... (molto generale)
 
  • Like
Reactions: offROADisNOTaCRIME

garret

Biker tremendus
Feedback: 5 / 0 / 0
26/9/09
1.382
0
latina
di altre leghe di alluminio nn se ne parla?? la 9000 e la 8900 per esempio..( che ho io!!)perkè nn trovo da nessuna parte come è fatta..
 

sgamarco

Biker poeticus
Feedback: 372 / 0 / 0
27/5/08
3.642
37
46
Roma EST
Bike
- IBIS Mojo 27.5 - Camber 29EVO
Interessante...
Certamente dalle considerazioni finali sui rischi di rottura e / o la verifica di danni strutturali del alluminio e del carbonio, per chi aveva una qualche idea di acquistare un telaio in carbonio forse ora c'è qualche remora in piu...

OT ( non so' se è veramente fuori tema o se c'è qualche nesso ) ...
ma il kevlar è un derivato del carbonio? oppure è proprio un altro materiale con proprietà simili ?
 

Senza Bici

Biker cesareus
Feedback: 56 / 0 / 0
20/8/08
1.733
0
23 km da ROMA
una cosa pratica volevo sapere

manubrio in carbonio + manopole lock on:
ho letto su di un'articolo di MTB Action riguardo un manubrio in carbonio gravity oriented in cui si diceva che non era tanto corretto usare manopole lock on su di un manubrio in carbonio...
volevo sapere se è vero, perchè è vero ecc. ...
se non ricordo male facevano riferimento al fatto che le lock-on "scivolerebbero"...

anche perchè sarebbe una bella limitazione per un manubrio in carbonio...personalmente non so se rinuncerei alle lock-on...
 

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
di altre leghe di alluminio nn se ne parla?? la 9000 e la 8900 per esempio..( che ho io!!)perkè nn trovo da nessuna parte come è fatta..
Tratto da wikipedia:

gruppo 8000 (leghe miste): tra queste importanti sono le leghe Al-Li (come la 8090), di minor densità (2,5 - 2,6 g/cm³ in base alla percentuale di litio presente in lega), molto resistenti a fatica, mantengono una buona resistenza statica anche dopo danneggiamento da impatto, e rimangono molto tenaci anche a bassa temperatura.

Sono leghe di alluminio con Litio.

La serie 9000 non viene utilizzata.

Per approfondire bisognerebbe trovare un libro che tratti l'argomento in maniera più specifica.
 

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
Interessante...
Certamente dalle considerazioni finali sui rischi di rottura e / o la verifica di danni strutturali del alluminio e del carbonio, per chi aveva una qualche idea di acquistare un telaio in carbonio forse ora c'è qualche remora in piu...

OT ( non so' se è veramente fuori tema o se c'è qualche nesso ) ...
ma il kevlar è un derivato del carbonio? oppure è proprio un altro materiale con proprietà simili ?

Il Kevlar è una fibra sintetica polimerica che non c'entra nulla con la fibra di carbonio. Son due cose completamente distinte.

Per approfondire, guarda qui: http://it.wikipedia.org/wiki/Kevlar
 

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
una cosa pratica volevo sapere

manubrio in carbonio + manopole lock on:
ho letto su di un'articolo di MTB Action riguardo un manubrio in carbonio gravity oriented in cui si diceva che non era tanto corretto usare manopole lock on su di un manubrio in carbonio...
volevo sapere se è vero, perchè è vero ecc. ...
se non ricordo male facevano riferimento al fatto che le lock-on "scivolerebbero"...

anche perchè sarebbe una bella limitazione per un manubrio in carbonio...personalmente non so se rinuncerei alle lock-on...
Il problema potrebbe essere la finitura lucida del carbonio che causa un minore attrito tra lock-on e manubrio. La soluzione ideale per questo problema sarebbe realizzare dei lock on con inserto in gomma, in modo da garantire grip anche senza eccessive coppie di serraggio.

I manubri in carbonio non reagiscono bene a sollecitazioni radiali come quelle esercitate dal lock on delle manopole, ovvero non sono progettati per resistere a quelle sollecitazioni. Infatti con un opportuno orientamento delle fibre si potrebbe risolvere il problema, ma comporterebbe un aggravio di peso che alal fine non è così importante.
L'alluminio invece è un materiale isotropo ed è quindi in grado di resistere bene a tutti i tipi di sollecitazione e quindi non si pone il problema.

Infatti sui componenti in carbonio è importante rispettare le coppie di serraggio, su quelli in alluminio lo è molto meno.
 

Tonaz

Biker serius
Feedback: 2 / 0 / 0
3/3/09
202
0
Armeno
gran bel post Dany!!
ottimo lavoro davvero!

Interessante...
Certamente dalle considerazioni finali sui rischi di rottura e / o la verifica di danni strutturali del alluminio e del carbonio, per chi aveva una qualche idea di acquistare un telaio in carbonio forse ora c'è qualche remora in piu...
non è del tutto vero...
consideriamo che in fase di progettazione quando si individua un limite di carico, (per esempio nel settore delle bici, la sollecitazione massima ipotizzabile per un telaio) per materiali che hanno un comportamento a rottura di tipo duttile, si usa un coeff. di sicurezza compreso di solito tra 1,2 e 1,5, cioè la "resistenza" del manufatto finale sara pari a circa una volta e mezza il carico massimo ammissibile;

per quanto riguarda materiali che a rottura hanno un comportamento di tipo "fragile", i coeff di sicurezza salgono e si arriva a 2 o più, e quindi lo sforzo totale che sopporta il materiale è circa il doppio.

poi i coeff. utilizzati variano in base a chi li sceglie, a cosa si sta progettando e all'accuratezza con la quale si fanno i conti.

quindi alla fine i due materiali si compensano all'incirca:
il materiale duttile (Al) avrà il "bonus" dato dal fatto che deformandosi assorbe parte dell'energia che viene a crearsi nell'urto, mentre il materiale fragile (carbonio) è stato progettato con un carico max ammissibile maggiore.:il-saggi:

questo per fare un po' di chiarezza, poi se usiamo un telaio in carbonio da xc e facciamo DH..beh si romperà probabilmente!!

ciao a tutti!!
 

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
grazie :celopiùg:

p.s. ma sempre polimerica è pero, come il carbonio... :nunsacci:
Il carbonio non è un polimero, ma ha una struttura cristallina simile a quella della grafite, costituita da cristalli di forma esagonale :spetteguless:

Nella grafite tuttavia, i piani sono disposti parallelamente e debolmente interconnessi tra loro. Questo determina che quando noi scriviamo con una matita alcuni piani a contatto con il foglio si separino e rimangano sul foglio stesso, permettendoci di visualizzare il tratto.
Nelle fibre di carbonio invece i piani sono interconnessi tra loro e non si ha il fenomeno di separamento dei vari piani. Pertanto le caratteristiche meccaniche del filamento saranno nettamente superiori rispetto a quelle della grafite.

Il kevlar invece è un polimero. i polimeri sono composti da una serie di lunghe catene molecolari dette catene polimeriche, delle specie di spaghetti. Queste catene sono intrecciate tra loro e sono legate le une alle altre da legami idrogeno.

E' proprio diversa la natura... In fatto che entrambe siano filamentose non significa che siano simili.
 

paolorobertozr

Biker tremendus
Feedback: 10 / 0 / 0
8/8/07
1.328
15
34
Nettuno
Bike
specy enduro
un'ottima analisi...

credo però che sia abbastanza raro generare per semplici errori di guida/uso sollecitazioni tali da rompere un telaio di qualità per superamento dei limiti strutturali dello stesso...
ciò perchè le primarie case costruttrici possono contare su verifiche strutturali approfondite effettuate con programmi di calcolo ad elementi finiti e con prove di laboratorio con macchinari meccanici che riproducono i diversi cicli di sollecitazione propri della vita di un telaio, secondo me comunque progettato con ampi margini di sicurezza.

Sono fermamente convinto che la maggioranza dei telai che si rompono si rompano per difetti occulti di costruzione quali cricche,soffiature per il metallo (dovute a errori di saldatura e/o a imperfezioni nel processo di trafilatura,pressofusione o altro del pezzo) o presenza di bolle d'aria nella laminazione per i materiali compositi, o errori di progettazione/realizzazione del laminato... espliciti limiti sono infatti propri dei laminati uni-direzionali in quanto in questi casi l'anisotropia è spinta al limite estremo e se, per un qualche evento, le sollecitazioni escono dai piani di applicazione previsti le caratteristiche meccaniche dei particolari/pezzi laminati in tal senso possono risultare non adeguate.

Da aggiungere che il carbonio è sempre più lavorato con tecniche pre-preg o di 'infusione' (tessuti pre-impregnati di resina e o con iniezione di resina a pressione in punti e quantità controllate) e per le bici, sempre ed assolutamente, in autoclave in regime di vuoto e a temperatura controllata. L'utilizzo della giusta quantità di resina infatti, oltre a ridurre il peso, garantisce una densità ottimale del materiale e una migliore coesione tra gli strati della laminazione...

nel dubbio, poi, meglio un laminato a più strati incrociati di piccolo spessore che non a pochi strati di grande spessore... (molto generale)


Quoto tutto!
Secondo me un moderno telaio in Carbonio è ampliamente strutturato per resistere agli urti derivanti da cadute o "botte" trasversali, non ci scordiamo che alcune case garantiscono i propri telai in carbonio a vita...

Secondo me l'unica discriminante è la perizia con la quale viene progettato, in fase di definizione degli spessori e delle perentuali di materiale polimerico, nelle singole zone...

Inoltre non è del tutto vero che il Kevlar non c'entra nulla col carbonio, perché a parer mio, per le propietà che ha, è un ottimo "rinforzo elastico" alla fibra di carbonio, in zone appunto critiche come BB, foderi sottoposti a flessioni o la testa di un reggisella... In un sacco di applicazioni anche extra-biciclette viene usato per rendere più capace di deformazione la fibra di carb.

Per tornare specificatamente all'industria della mtb, io oggi sarei assolutamente tranquillo dell'acquisto di un telaio in fibra, se questo è fatto da un'azienda seria, che lo garantische, che fà ricerca... come ce ne sono tante.
 

paolorobertozr

Biker tremendus
Feedback: 10 / 0 / 0
8/8/07
1.328
15
34
Nettuno
Bike
specy enduro
gran bel post Dany!!
ottimo lavoro davvero!



non è del tutto vero...
consideriamo che in fase di progettazione quando si individua un limite di carico, (per esempio nel settore delle bici, la sollecitazione massima ipotizzabile per un telaio) per materiali che hanno un comportamento a rottura di tipo duttile, si usa un coeff. di sicurezza compreso di solito tra 1,2 e 1,5, cioè la "resistenza" del manufatto finale sara pari a circa una volta e mezza il carico massimo ammissibile;

per quanto riguarda materiali che a rottura hanno un comportamento di tipo "fragile", i coeff di sicurezza salgono e si arriva a 2 o più, e quindi lo sforzo totale che sopporta il materiale è circa il doppio.

poi i coeff. utilizzati variano in base a chi li sceglie, a cosa si sta progettando e all'accuratezza con la quale si fanno i conti.

quindi alla fine i due materiali si compensano all'incirca:
il materiale duttile (Al) avrà il "bonus" dato dal fatto che deformandosi assorbe parte dell'energia che viene a crearsi nell'urto, mentre il materiale fragile (carbonio) è stato progettato con un carico max ammissibile maggiore.:il-saggi:

questo per fare un po' di chiarezza, poi se usiamo un telaio in carbonio da xc e facciamo DH..beh si romperà probabilmente!!

ciao a tutti!!
Quoto anche tonaz, che ha spiegato perfettamente come mai un telaio in Carbonio alla fin fine non fà guadagnare molto peso rispetto al fratello in Alu, visti i margini di sicurezza mooolto più ampi che si vanno ad utilizzare(che si traducono in materiale in eccesso).

Diciamo che poi però c'è tutt'altra rigidità, e risposta alle sollecitazioni della guida, che giocano decisamente in favore del Carbonio.
 

schiesa

Biker tremendus
Feedback: 17 / 0 / 0
27/7/09
1.099
0
Colli Euganei
Bell'articolo, molto interessante.
Da questo si comprende che dopotutto l'alluminio non è così male come oggi invece molti sivende dicono (più per vendere mi sa...)
Inoltre il comportamento in rottura del carbonio non è per niente un incentivo ad acquistare parti di ricambio in carbonio usate, dato che magari all'occhio sembrano nuove ma in realtà possono nascondere un difetto.
Per il momento mi tengo il mio alluminio che mi dà più sicurezza (oltre che per una questione economica...), anche se non nego che il fascino dei componenti in carbonio (e anche l'estetica) mi prende di brutto.
Ma secondo voi quali sono i componenti in carbonio che rischiano di meno nelle cadute e sono sottoposti a meno stress durante il normale utilizzo??

X Danybiker88
Visto che sei tu l'esperto.. cosa ne pensi dei componenti in carbonio con l'anima in alluminio???
 

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
non è del tutto vero...
consideriamo che in fase di progettazione quando si individua un limite di carico, (per esempio nel settore delle bici, la sollecitazione massima ipotizzabile per un telaio) per materiali che hanno un comportamento a rottura di tipo duttile, si usa un coeff. di sicurezza compreso di solito tra 1,2 e 1,5, cioè la "resistenza" del manufatto finale sara pari a circa una volta e mezza il carico massimo ammissibile;

per quanto riguarda materiali che a rottura hanno un comportamento di tipo "fragile", i coeff di sicurezza salgono e si arriva a 2 o più, e quindi lo sforzo totale che sopporta il materiale è circa il doppio.

poi i coeff. utilizzati variano in base a chi li sceglie, a cosa si sta progettando e all'accuratezza con la quale si fanno i conti.

quindi alla fine i due materiali si compensano all'incirca:
il materiale duttile (Al) avrà il "bonus" dato dal fatto che deformandosi assorbe parte dell'energia che viene a crearsi nell'urto, mentre il materiale fragile (carbonio) è stato progettato con un carico max ammissibile maggiore.:il-saggi:

questo per fare un po' di chiarezza, poi se usiamo un telaio in carbonio da xc e facciamo DH..beh si romperà probabilmente!!

ciao a tutti!!
Fonti dei coefficienti di sicurezza? In base a quali parametri si calcolano questi coefficienti? Un urto trasversale (es impatto contro una pietra) viene tenuto in considerazione?

Sicuramente nella progettazione di un telaio in materiale fragile si tiene un coefficiente di sicurezza più alto, ovvero in parole povere si realizza un telaio più robusto e in grado di sopportare sollecitazioni maggiori prima di rompersi, ma il discorso non cambia.

All'atto pratico, magari il telaio in carbonio è più robusto, resiste a sollecitazioni maggiori ma il discorso sulla rottura resta comunque valido.
Quando la bici cade chi può valutare l'entità delle botte che prende? Se un telaio in alluminio cade su una pietra e si danneggia lo vedi subito. Quello in carbonio come fai a sapere se sei rimasto all'interno del limite elastico o sei pervenuto a rottura di alcune fibre, con conseguente indebolimento strutturale e rischio di rottura nelle successive uscite?

Non metto in dubbio la robustezza dei telai in carbonio, che possono essere tranquillamente più robusti di quelli in alluminio (come specificato nel paragrafo delle proprietà meccaniche), quello che volevo sottolineare che come tutti i materiali ha anche un rovescio della medaglia, ovvero il comportamento a rottura.
 
  • Like
Reactions: kikhit

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
Inoltre non è del tutto vero che il Kevlar non c'entra nulla col carbonio, perché a parer mio, per le propietà che ha, è un ottimo "rinforzo elastico" alla fibra di carbonio, in zone appunto critiche come BB, foderi sottoposti a flessioni o la testa di un reggisella... In un sacco di applicazioni anche extra-biciclette viene usato per rendere più capace di deformazione la fibra di carb.
Che venga usato insieme al carbonio è u discorso, ma chimicamente e come materiale non c'entra assolutamente nulla con il carbonio.

Un po come l'acciaio e il cemento. Vengono usati insieme, ma sono due materiali completamente diversi.
 

Danybiker88

Redazione
Feedback: 18 / 0 / 0
4/9/04
12.101
118
31
Torino
www.picasawebweb.com
Bell'articolo, molto interessante.
Da questo si comprende che dopotutto l'alluminio non è così male come oggi invece molti sivende dicono (più per vendere mi sa...)
Inoltre il comportamento in rottura del carbonio non è per niente un incentivo ad acquistare parti di ricambio in carbonio usate, dato che magari all'occhio sembrano nuove ma in realtà possono nascondere un difetto.
Per il momento mi tengo il mio alluminio che mi dà più sicurezza (oltre che per una questione economica...), anche se non nego che il fascino dei componenti in carbonio (e anche l'estetica) mi prende di brutto.
Ma secondo voi quali sono i componenti in carbonio che rischiano di meno nelle cadute e sono sottoposti a meno stress durante il normale utilizzo??

Il carbonio obiettivamente permette di realizzare bici più leggere e altrettanto robuste, in virtù delle ottime proprietà meccaniche.
Il problema è quando cadi.

L'articolo non vuole essere ne pro carbonio ne pro alluminio, si limita ad analizzare il comportamento dei due materiali. Ognuno poi ne può trarre le sue conclusioni.

X Danybiker88
Visto che sei tu l'esperto.. cosa ne pensi dei componenti in carbonio con l'anima in alluminio???
Che non sono ne carne ne pesce, nel senso che innanzitutto si creano dei problemi all'interfaccia tra i due materiali, che non sono facilmente risolvibili.
Teoricamente in caso di cedimento del pezzo dovrebbero garantire un certo margine di sicurezza in più, ovvero se dovesse cedere la fibra di carbonio l'anima in alluminio dovrebbe evitare il cedimento di schianto. Questo per lo meno in teoria...
 

Tonaz

Biker serius
Feedback: 2 / 0 / 0
3/3/09
202
0
Armeno
Fonti dei coefficienti di sicurezza? In base a quali parametri si calcolano questi coefficienti?

Sicuramente nella progettazione di un telaio in materiale fragile si tiene un coefficiente di sicurezza più alto, ovvero in parole povere si realizza un telaio più robusto e in grado di sopportare sollecitazioni maggiori prima di rompersi, ma il discorso non cambia.

Nel mondo pratico, magari il telaio in carbonio si spacca da un drop di 2m, quello in alluminio in uno da 1,8m ma il discorso sulla rottura resta valido.
Quando la bici cade chi può valutare l'entità delle botte che prende? Se prende una pietra un telaio in alluminio e si danneggia lo vedi subito. Quello in carbonio come fai a sapere se sei rimasto all'interno del limite elastico o sei pervenuto a rottura di alcune fibre, con conseguente indebolimento strutturale e rischio di rottura nelle successive uscite?

Non metto in dubbio la robustezza dei telai in carbonio, che possono essere tranquillamente più robusti di quelli in alluminio (come specificato nel paragrafo delle proprietà meccaniche), quello che volevo sottolineare che c'è il rovescio della medaglia ovvero il comportamento a rottura.
qst coeff sono dettati dall'esperienza di chi ha progettato prima di altri:spetteguless:
fonte Politecnico di Milano.
concordo con quello che dici tu infatti, i due materiali alla fine con tutti ti pro e i contro si equivalgono facendo una somma di tutti i fattori.

per qnt riguarda il discorso dei sassi xò non sono molto convino...parliamo di sforzi di rottura di 7Gpa come hai detto tu...se ci pensiamo 1 Pa= 1N/m^2;
1 Mpa è quindi 1N/mm^2 equivalente e una "botta" di un sasso da 0,1 Kg sottoposto ad accelerazione di gravità k urta contro il telaio colpendolo su 1mm^2 di superficie....certo che i valori scelti in progettazione non contano x urti dati da sassi ecc, magari si riferiscono ad altre sollecitazioni però ce ne vuole per rompere un telaio!!...certo poi che i telai si rompono cadendo, e parlo perchè ne ho già visto uno spaccato a metà di una scale rc dell'anno scorso...xò ql k l'ha rotto ha fatto uno di quei voli ragazzi!!!!
ciao Danybiker!!