Fibra di carbonio e materiali compositi in Formula 1

Fibra di carbonio e materiali compositi in Formula 1

La fibra di carbonio ha origini recenti. Il suo sviluppo inizia nel 1950. Le prestazioni meccaniche e fisiche del materiale erano notevoli per l’epoca e ciò favorì la ricerca. Si trattava di un materiale leggero ma molto più resistente di tutte le leghe metalliche note. Dopo una spiegazione tecnica sulla fibra di carbonio , vediamo quando è stata introdotta in Formula 1 e perchè.

Definizione di materiale composito.

Quando si parla di fibra di carbonio si collega spesso il termine ‘materiale composito’. Scientificamente, con il termine materiale composito si intende un materiale costituito da due fasi chimicamente distinte (cioè due materiali differenti), aventi caratteristiche fisico-meccaniche significativamente diverse fra loro in cui è possibile individuare, in scala macroscopica(cioè semplicemente guardandolo), una superficie di interfaccia (in pratica sono distinguibili).  Pensate che sia così strano trovare un materiale composito in giro? Sbagliate: il calcestruzzo lo è così come il legno compensato.

Produzione dei pezzi in fibra di carbonio.

La fibra di carbonio è utilizzata sotto forma di tessuti (non troppo diversi visivamente dai tessuti dei vestiti) definite ‘pelli di carbonio’. Di per sé, le pelli di carbonio nude e crude non hanno grandissime caratteristiche meccaniche degne di nota. Devono subire dei processi termici e chimici.  Le pelli di carbonio vengono sovrapposte l’una all’altra a seconda del tipo di spessore richiesto e vengono impregnate di una resina (sostanzialmente una colla) che prende il nome di matrice a processo concluso. I tessuti bagnati di resina vengono poi adagiati in stampi per dare loro la forma desiderata e portati in autoclave. Qui è dove sono sottoposti a due processi: vengono riscaldati raggiungendo la temperatura di 180°C e sottoposti a una pressione di 10 atm( circa dieci volte la pressione atmosferica) per diverse ore. Tutto ciò permette alla resina di indurirsi senza che si formino dei vuoti o delle sacche d’aria che influenzano in modo consistente le prestazioni meccaniche: si stima che circa 1% di vuoto nel pezzo fabbricato abbassi le caratteristiche del 7% rispetto quelle attese. Infine c’è chiaramente la fase di rifinitura. A questo link, si può trovare  un piccolo documentario diviso in parti prodotto dalla Mercedes circa i materiali compositi usati in F1 e la loro produzione.

 

 

Pro e contro della fibra di carbonio.

I vantaggi della fibra di carbonio sono molteplici.  Primo fra tutti il peso: la densità della fibra di carbonio è, in media, 1700kg/m^3 mentre l’alluminio ha una densità di 2700kg/m^3. Ciò che  fa pendere l’ago della bilancia di molto a favore della fibra sono le caratteristiche meccaniche incredibilmente superiori rispetto l’alluminio. Una lega di alluminio di utilizzo aeronautico come la 2024-T3 ha una σ (sigma) di rottura pari a 480 MPa(MegaPascal). Per essere chiari, ciò significa che un filo di alluminio di spessore pari a 1 mm^2 si rompe a trazione se viene tirato con una forza pari a 47 Kg. La migliore fibra di carbonio può arrivare ad avere la stessa caratteristica anche dieci volte migliore. Ulteriore vantaggio è che mentre i materiali metallici hanno le stesse caratteristiche di rottura, di resistenza a torsione e/o urti in ogni direzione vengano colpiti o tirati ,nel caso della fibra di carbonio,dato che si utilizzano tessuti, è possibile scegliere una direzione preferenziale dove avere migliori caratteristiche di resistenza all’urto ad esempio. E’ il caso dei cosiddetti tessuti unidirezionali(foto a destra): tutte le fibre disposte in una sola direzione è che massimizzano le caratteristiche in quest’ultima ma risultano essere poco performanti nelle altre (un’ipotesi è quella dei musetti dove è molto probabile che in caso di urto questo sia frontale e quindi si potrebbe optare per questa scelta). Oppure i tessuti intrecciati (come quello in foto a sinistra) dove non si ricerca una direzione preferenziale e si cerca di ‘imitare’ il comportamento dei metalli ma con un peso molto ridotto.
Non è tutto oro ciò che luccica: il problema è che a differenza dell’alluminio o dei materiali metallici dove è facile vedere se vi sono rotture, coi materiali compositi ciò non è possibile se non tramite controlli lunghi e complicati  che non sempre danno esito positivo. Chissà come mai ultimamente le rotture delle sospensioni siano aumentate in modo esponenziale (povero Seb e quel dannato COTA del 2019).

 

 

1981: la McLaren MP4/1 apre un nuovo capitolo della Formula 1.

La fibra di carbonio ha fatto il proprio ingresso in Formula 1 nell’anno 1981 grazie alla McLaren MP4/1 progettata da John Barnard (assunto da Ron Dennis) e  guidata da John Watson e da Andrea De Cesaris. LA richiesta di Dennis a Barnard riguardava la necessità di progettare una monoposto più leggera, con uno chassis più stretto che comunque riuscisse a resistere alle sollecitazioni a torsione gravi soprattutto in curva. La sua ricerca di nuovi materiali lo condusse da alcune aziende aerospaziali tra le quali la British Aerospace dove gli fu presentata la fibra di carbonio. Come sempre la ricerca aerospaziale è un passo avanti e Barnard ne era a conoscenza.

Il telaio della monoposto pesava circa 30 kg ed era fabbricato principalmente con tessuti di fibre unidirezionali. La Mp4/1 non nacque sotto una buona stella. Solo dopo un primo periodo di magra, la monoposto, spinta da un motore Ford Cosworth V8 ormai quasi non più all’altezza dei sovraalimentati che iniziavano a svilupparsi, iniziò a macinare punti e riuscì alla fine anche a vincere il 18 luglio il Gran Premio di Inghilterra. Le quattro versioni della MP4/1, su 42 GP a cui parteciparono, ne vinsero solo 6 conquistando 5 giri veloci ma nessuna partenza al palo.

 

Si trattava della prima monoscocca in carbonio. Il termine monoscocca sta ad indicare che si tratta di un singolo elemento. Il telaio fino a quel momento era creato tramite saldatura di tubi di alluminio e/o di acciaio e veniva rinforzato con pannelli di alluminio a nido d’ape (Honeycomb). Tuttavia Fu il progettista Colin Chapman della Lotus a realizzare nel 1962 la prima monoposto dotata di telaio ‘monoscocca’: non più una serie di tubi orizzontali ai quali venivano ancorati i diversi componenti della vettura si trattava di una vasca in cui il pilota adottò una guida semisdraiata tutt’ora utilizzata. Chapman ridusse la sezione frontale dell’auto, il pilota Jim Clark affermò: “Ho guidato il letto più veloce del mondo!”.


Nello 1981 anche la Lotus introdusse il telaio in fibra di carbonio sulla Lotus 88. Il primato è della McLaren poiché la Lotus lo introdusse una settimana dopo la prima. La Lotus 88 aveva ancora un forte legame con  l’idea di telaio già esistente basato sull’ alluminio e, quindi, non all’avanguardia come quello della McLaren. La monoposto fu dichiarata illegale poichè era stata costruita con due telai differenti. Uno classico che aveva la funzione di  sostenere la monoposto e un secondo per generare l’ effetto suolo( qui il link per la spiegazione dell’effetto Venturi che verrà reintrodotto nel 2022) più consistente alle alte velocità. Infatti, furono abolite le minigonne per sigillare il flusso sotto l’auto . Le elevate forze che si generate portavano i piloti anche a perdere conoscenza e si cercò di limitare questo pericolo. Proprio per questo secondo telaio si ebbe la dichiarazione di illegalità dopo protesta da parte delle altre scuderie che affermarono che si trattasse di un vero e proprio sistema aerodinamico mobile per generare l’effetto suolo.

1981, Monza.

Gli scettici sull’utilizzo della fibra erano molti.  Un concetto ancora troppo acerbo. I materiali e i processi di produzione molto costosi e i vantaggi non davvero chiari limitarono l’entusiasmo. Se i pro non sono palesi difficilmente può prendere il volo un’idea rivoluzionaria come questa nel mondo della Formula 1.

Ogni cosa cambiò volto quando nel Gran Premio di Italia a Monza di quell’anno. Sappiamo bene come gli incidenti in Formula 1 negli scorsi decenni fossero letali la maggior parte delle volte. Watson fu protagonista di un incidente spettacolare quanto pericoloso alla Lesmo 2 quell’anno. C’era una grossa preoccupazione dato che la monoposto andò anche in fiamme a causa di una fuoriuscita di olio. Con tutte queste complicazioni, il pilota andò via indenne dalla monoposto grazie alla monoscocca. Qui il link per il video dell’incidente.

Ad oggi la maggior parte degli elementi delle monoposto di Formula 1 sono prodotti in materiale composito. Anche i freni carboceramici i cui vantaggi saranno trattati in un articolo futuro.

 

Autore: Giuseppe Marino

 

 

 

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