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Fibra di carbonio per l’automotive

La fibra di carbonio è oggi uno degli elementi costruttivi più noti grazie al largo uso nel settore dell’automotive su modelli sportivi e di lusso. In senso lato con la terminologia di “fibra di carbonio” si fa riferimento ai materiali compositi in fibra di carbonio: la sola fibra di carbonio non può essere usata come elemento strutturale o estetico.

I materiali compositi sono costituiti da due o più elementi diversi o dallo stesso elemento in fasi diverse (come per i dischi freno in tecnologia carbon-carbon). Questo al fine di sfruttare al meglio le proprietà dei singoli elementi componenti e realizzare un prodotto finale con proprietà superiori. Gli elementi costituenti sono definiti “matrici” e “rinforzi”. Le matrici sono basi in fase continua che garantiscono la coesione e l’omogeneità del materiale, oltre a garantirne la compattezza e la protezione dei rinforzi. I rinforzi in fase dispersa nella matrice garantiscono, invece, al materiale le proprietà di rigidezza e resistenza meccanica. Questi materiali sono anche chiamati “polimeri rinforzati con fibre”, nel caso i rinforzi siano fibre (come quelle di vetro o quelle aramidiche).

Nei materiali a fibra di carbonio usati nel settore automobilistico, la matrice è spesso costituita da una resina, come quelle epossidiche, e per questo sono detti “a matrice polimerica”, mentre il rinforzo è costituito dalle fibre di carbonio. Le fibre di carbonio sono sottili polimeri di soli atomi di carbonio. Queste fibre possono essere lunghe o corte (di pochi centimetri). Le fibre di carbonio lunghe vengono utilizzate per creare veri e propri tessuti, i quali vengono sovrapposti e impregnati dalla resina. Le fibre corte vengono, al contrario, distribuite casualmente all’interno della resina.

Nel caso delle fibre lunghe le direzioni che le fibre dei vari strati formano le une con le altre determina in parte le proprietà fisiche che avrà il prodotto finito. Ad esempio, le fibre possono essere allineate o incrociate con sfasamento di 120°.

Le fibre di carbonio possono essere distinte secondo la resistenza a trazione e il modulo d’elasticità.

I materiali compositi a fibra lunga sono intrinsecamente anisotropi, ovvero non presentano le stesse proprietà in tutte le direzioni. Per questo, durante la progettazione è necessario considerare l’utilizzo che si farà del materiale e scegliere la migliore realizzazione per ottenere i risultati voluti. Ciò contribuisce a determinare l’angolo reciproco che le fibre dovranno formare.

L’angolo relativo più diffuso tra le fibre nei tessuti è di 90°. Questi tessuti biassiali possono essere a lisca di pesce o a scacchiera.

Per la realizzazione dei materiali compositi a matrice polimerica rinforzati in fibra lunga di carbonio si distinguono tre metodi. Il primo, “a umido”, prevede di disporre i tessuti in fibra e la matrice autoindurente in maniera alternata su di uno stampo per modellare il pezzo. Lo stampo garantisce il mantenimento della forma voluta anche durante il processo di indurimento della resina. La seconda metodologia fa uso dei tessuti pre-impregnati con resine termoindurenti, ovvero già rivestiti e conservati a temperature controllate per non scatenare prematuramente l’indurimento. Questo metodo prevede poi l’uso di sacchi per il sottovuoto dentro i quali viene messo lo stampo, al fine di far aderire bene i vari strati alla matrice. Successivamente lo stampo sottovuoto viene inserito in autoclave ad alte temperatura e pressione per permettere l’indurimento della resina garantendo l’omogeneità tra gli strati. Il terzo metodo fa uso di uno stampo in due parti dato che gli strati di tessuto vengono disposti a secco mentre la matrice viene iniettata ad alta pressione a stampo chiuso.

Per compensare l’anisotropia dei materiali compositi a fibra lunga, sono stati realizzati quelli a fibra corta. La disposizione casuale delle singole fibre all’interno della matrice polimerica permette di ottenere un’isotropia naturale e non forzata, come si ottiene sfalsando le direzioni delle fibre lunghe.

Il solo sfalsamento delle fibre non garantisce una vera isotropia del materiale, comportando fenomeni di rottura locale delle fibre dati da carichi ortogonali alla fibra. Un materiale globalmente isotropo, invece, riduce drasticamente questa possibilità, garantendo una sopportazione dei carichi uniforme (qualsiasi sia la direzione nella quale questi vengono esercitati).

L’uso di composti a fibra lunga permette di sfruttare al massimo la resistenza che le fibre offrono lungo la direzione delle fibre stesse, mentre quelli a fibra corta permettono un uso più efficace nei contesti che impediscono di tutelare gli elementi da carichi non direzionati come le fibre.

Un altro vantaggio di questa soluzione è la riduzione nelle tempistiche di produzione e la semplicità nella realizzazione di stampaggi complessi, rispetto ai compositi rinforzati in fibra lunga.

Il largo impiego nell’uso dei materiali compositi spazia dagli elementi strutturali a quelli estetici.

Lo sviluppo risale agli anni ’80. Dall’uso in Formula 1, iniziando con materiali rinforzati in fibra di vetro per le scocche, passando poi a quelli rinforzati in fibra di carbonio. Successivamente, il loro impiego è passato agli elementi strutturali del telaio delle vetture da competizione.

Diverse case automobilistiche hanno adottato queste soluzioni anche per le automobili sportive e di lusso destinate alla clientela e non al solo motorsport.

Le motivazioni dietro all’adozione di questi materiali risiede nei grandi vantaggi che questi offrono in merito alle loro proprietà chimico-fisiche:

– elevata resistenza meccanica; 

– bassa densità;

– alto modulo elastico delle fibre di carbonio;

– elevata resistenza alle alte temperature;

– resistenza agli agenti chimici;

– buone proprietà ignifughe.

Queste caratteristiche permettono di ottenere altrettanti vantaggi. Gli elementi in materiale composito pesano meno sia dell’acciaio sia dell’alluminio a parità di resistenza meccanica. Contemporaneamente, gli elementi di questo tipo soffrono una minor flessione data dal loro stesso peso.

I pannelli in materiale composito non si ammaccano a seguito di un urto come una normale lamiera. I compositi permettono di smorzare efficacemente le vibrazioni, senza ricorre ad altre soluzioni. Differenti composizioni, sviluppi e composizioni per le resine e per le fibre permettono di ottenere diverse proprietà del materiale finale.

I materiali compositi non sono soggetti a ossidazione, hanno bassi coefficienti di dilatazione termica e resistono a diversi agenti chimici presenti in atmosfera.

Questi polimeri rinforzati sono poi facili da riparare, se comparati a telai metallici: dato che questi non si deformano e non perdono le proprie proprietà meccaniche lontano dall’impatto. È sufficiente sostituire la sezione danneggiata, senza dover lavorare su tutta la struttura.

Infine, la possibilità di ottenere trame elaborate e colorate, superfici opache o lucide per i materiali a fibra lunga, o il caratteristico aspetto dei compositi a fibra corta hanno ottenuto grande successo anche per l’estetica delle vetture.

I possibili difetti e svantaggi nell’uso dei materiali compositi rinforzati in fibra di carbonio sono da imputare alle imperfezioni, come bolle d’aria, che possono verificarsi durante la formazione e la lavorazione del pezzo e, specialmente, lo svantaggio è dato dall’elevato costo di produzione.

La produzione degli elementi di base, le tempistiche nella realizzazione e la lavorazione ad alte temperature e pressioni comportano alti costi iniziali, così come elevati costi di riparazione in caso di incidente.

La Lamborghini Automobili è una delle principali case produttrici nel panorama automobilistico ad aver investito in questa tecnologia.

Partendo dalla fine degli anni ’80, quando venne sviluppata, in un unico prototipo, la Countach Evoluzione: versione “a base di materiali compositi” sia per carrozzeria sia per telaio del modello top di gamma in quel momento per la casa. Il telaio in acciaio ed il telaietto anteriore vennero sostituiti da una monoscocca rinforzata in carbonio e kevlar. Anche diversi pannelli della carrozzeria, come cofani e appendici aerodinamiche erano in composito. La riduzione di peso permise all’Evoluzione di raggiungere velocità di punta ed accelerazioni irrealizzabili per il modello di serie.

Un altro grande passo in avanti, merito degli investimenti e delle collaborazioni che l’azienda ha portato avanti congiuntamente con Boeing e l’Università di Washington, avvenne con la realizzazione in serie limitata della Lamborghini Sesto Elemento. Nome non casuale, essendo il carbonio il sesto elemento della Tavola Periodica. Telaio, elementi aerodinamici, pannelli carrozzeria e rivestimenti interni vennero realizzati interamente con l’uso della fibra di carbonio. Successivamente, queste conoscenze vennero impiegate nello sviluppo della monoscocca della Lamborghini Aventador per il secondo decennio del 2000. Tale soluzione ha permesso di ridurre i pesi complessivi della vettura, incrementando contemporaneamente la rigidità torsionale rispetto ai telai metallici delle precedenti vetture. Infine, lo sviluppo del Forged Composite®, composito a fibra corta, ha contribuito ulteriormente all’alleggerimento delle vetture Lamborghini implementando questa soluzione agli elementi estetici e aerodinamici. Questo materiale ha poi trovato impiego strutturale come coni per l’assorbimento urti, omologati per l’uso su strada, sull’ultima top di gamma presentata dalla casa di Sant’Agata bolognese, la Lamborghini Revuelto.

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