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Il mondo dei materiali compositi è apparentemente nuovo per il Motorsport. Sin dai primi componenti realizzati, la ricerca ha permesso di produrre pezzi sempre più importanti e performanti. Le nuove monoposto hanno portato un notevole incremento di peso e gli ingegneri stanno lavorando moltissimo con la fibra di carbonio per ridurlo. Vediamo in questo articolo quali sono i segreti della fibra di carbonio, uno dei materiali compositi più innovativi.
Dal nome è intuibile come sia realizzato con due o più elementi, nel nostro caso da un tessuto in filamenti di carbonio, detto “rinforzo”, e dalla resina che lega tutto insieme, chiamata “matrice”. Questo composito può essere realizzato utilizzando diverse tipologie di “rinforzo”, prendendo o delle fibre corte o delle fibre lunghe. A seconda della fibra selezionata, il componente che ne esce, avrà diverse caratteristiche di resistenza. Quindi ci saranno fibre che resisteranno meglio di altre agli sforzi a cui verranno sottoposte.
Il mondo dei compositi in fibra di carbonio è molto vasto. Esistono infatti numerose tipologie di tessuti, dal semplice unidirezionale, fino al tri-assiale con le fibre ruotate di 120° ciascuna. Le più usate sono bi-assiali e vengono chiamate TWILL e PLAIN. Questi due tessuti sono distinguibili nell’immagine sopra, il primo a scacchiera (PLAIN) e il secondo a spina di pesce (TWILL). Per scegliere il tessuto corretto, gli ingegneri utilizzano dei software per modellare al meglio i componenti in carbonio. Questo si rende necessario, visto che le sue caratteristiche cambiano in base alla direzione della fibra considerata, con conseguenti prestazioni non uniformi. I tecnici infatti si affidano a software come Laminate Tools, che insieme ai dati delle simulazioni strutturali, permette di capire dove rinforzare il componente. Inoltre, permette di calcolare un altro fattore fondamentale per la disposizione dei fogli di fibra di carbonio (pelli). Particolare della stesura delle pelli è che non tutte hanno lo stesso orientamento, ma seguono uno schema “[0/90/-45/ (0/90)2]2S”. Questo indice di numeri rappresenta infatti la rotazione delle pelli rispetto alla precedente, migliorando le caratteristiche meccaniche del pezzo.
Per quanto riguarda la realizzazione di un componente in carbonio, si possono percorrere diverse strade. Questi processi differiscono in base all’utilizzo della matrice e alla modalità di stesura del ply. Partendo dall’utilizzo della matrice, possiamo parlare di laminazione wet layup e dry layup. Con il termine wet layup indichiamo la produzione di un pezzo, che vede per prima l’applicazione delle pelli e successivamente della matrice. Procedimento diverso nel dry layup, la struttura è già “pre-impregnata” di resina e deve essere solo posizionata nello stampo. Dopo aver steso decine di pelli, il componente viene messo in un sacco per fare il sottovuoto. Questo processo fa aderire il ply correttamente alla superficie, pronto per entrare in autoclave. Una volta all’interno di questo macchinario, i componenti in carbonio vengono tenuti sottovuoto e cotti ad alta temperatura. Infatti, dopo essere usciti dall’autoclave, i pezzi avranno uno spessore nell’ordine dei millimetri e caratteristiche meccaniche notevoli.
I vantaggi dell’utilizzo di questo tipo di materiale sono molteplici, primo fra tutti la leggerezza. Infatti, una delle caratteristiche principali di questa fibra è che a parità di peso con un pezzo realizzato in acciaio o alluminio restituisce una resistenza alle sollecitazioni decisamente più elevate. Oltre a questo, si possono realizzare forme molto più elaborate con una certa libertà di modellazione. Tutti questi fattori contribuiscono ad un ampio utilizzo del composito, sia su pezzi strutturali come il telaio che di sola carrozzeria. Difatti vediamo come oggi giorno le vetture da competizione usino i materiali compositi su ali, cofano motore e tantissime altre componenti che non vediamo. Però come qualsiasi cosa nel mondo della meccanica ci sono anche degli svantaggi.
Uno dei principali è il costo, in quanto l’utilizzo del composito comporta un’ ingente spesa nella realizzazione degli stampi, che devono essere molto precisi, e anche dei materiali stessi. Matrice e tessuto hanno infatti costi differenti in base al loro impiego. Partiamo da un “economico” tessuto da 200 g/m2 e arriviamo al T1100G, usato per i monoscocca di F1. Altro aspetto da non sottovalutare è la limitata fornitura della materia prima, che comporta anche qui un innalzamento dei costi. Proprio per questo si stanno studiando nuovi metodi di riutilizzo delle parti in carbonio, uno degli esempi è il carbonio forgiato.
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