Bicicletta - Tesina per tecnico industriale

TELAI IN ALLUMINIO

Le prime applicazioni dell'alluminio nel campo ciclistico si sono avute nei primi anni 80 grazie ad aziende

come Cannondale e Alan, che per prime hanno creduto nelle proprietà delle leghe di alluminio.

In genere è stata comunque l'industria d'oltre oceano, legata allo sviluppo negli anni 80 della MTB, a

concentrarsi sull'evoluzione di telai basati sull'alluminio.

L'alluminio è l'elemento più abbondante della crosta terrestre, da dove è estratto attraverso le rocce di bauxite,

per le quali rappresenta il minerale base,tanto che l'industria mondiale dell'alluminio ne produce ogni anno 10

milioni di tonnellate

Il processo per l'estrazione dell'alluminio puro (processo Bayer) è molto dispendioso energeticamente (per

estrarre 1 kg di alluminio necessitano quasi 20 kilowatt !!) ed è per questo che, pur essendo presente sulla

terra in grandi quantità, il suo costo è abbastanza elevato, specie se paragonato con quello degli acciai.

Il 20-30% dei costi di produzione viene assorbito dalla spesa energetica. Le recenti tecnologie dei processi

estrattivi stanno però colmando il gap e l'alluminio sta diventando sempre più economico.

Come succede per l'acciaio, anche per l'alluminio vengono utilizzate nell'ambito ciclistico leghe speciali, create

attraverso l'aggiunta al metallo puro, di percentuali minori di altri elementi, allo scopo di modificarne

positivamente le proprietà meccaniche.

Esistono perciò molti tipi di leghe di alluminio sul mercato, ognuna con le sue caratteristiche uniche; in genere,

a seconda degli elementi aggiunti, si raggruppano le leghe in classi specifiche.

Queste sono le più utilizzate in campo ciclistico:

• classe 2000 leghe alluminio-rame

• classe 5000 leghe alluminio-magnesio

• classe 6000 leghe alluminio-silicio-magnesio

• classe 7000 leghe alluminio-zinco-magnesio

La classe 2000 è utilizzata per telai più economici, solitamente non per bici da corsa, mentre le altre

rappresentano praticamente l'intero panorama della telaistica in alluminio attualmente sul mercato.

Legare quindi altri elementi all'alluminio rappresenta il sistema per rafforzarne le proprietà meccaniche e

fisiche; ad esempio il magnesio ne limita la corrosione e ne esalta la lavorabilità, mentre lo zinco lo "rinforza"

conferendogli più durezza e maggiore resistenza.

Un altro processo a cui vengono sottoposte le leghe di alluminio per migliorarne le caratteristiche meccaniche

è il trattamento termico.

Si tratta di un'operazione di "riscaldamento" a temperature elevate (400-500°), per permettere alla struttura del

materiale di omogeneizzare i suoi elementi, seguita da un raffreddamento e, a seconda del tipo di trattamento

termico, di un nuovo riscaldamento a 100-150°.

Tutto ciò per cementare e consolidare gli elementi della lega in una struttura cristallina più resistente.

Le leghe che subiscono un trattamento termico vengono appellate anch'esse con una terminologia

internazionale che sta indicare il tipo di trattamento; i più utilizzati nel campo ciclistico sono il T0, il T4 e il

gettonatissimo T6 una garanzia più che sperimentata.

L’IDROFORMATURA

Sebbene l'idroformatura non sia una novità, la sua applicazione in ambito ciclistico ha subito un forte

incremento negli ultimi anni, diventando oramai una vera e propria moda.

Il procedimento di idroformatura permette la realizzazione di un pezzo unico senza saldature, riducendo i

costi ed i tempi di lavorazione ed eliminando punti di discontinuità e debolezza.

L’idroformatura o hydroforming (HF) in inglese, è un procedimento di stampaggio a freddo di elementi

metallici, solitamente lamiere o tubazioni, che permette di ottenere delle forme più complesse rispetto ad altri

tipi di stampaggio.

Il procedimento di stampaggio avviene posizionando l’elemento (nel caso delle nostre dei tubi) all’interno

bici

di uno stampo di formatura. Nel caso dei profilati (come sono le tubazioni delle bici) lo stampo è di forma

cilindrica. Posizionato il tubo grezzo all’interno dello stampo si riempie di un fluido in pressione che

esercitando una spinta uniforme sulle pareti deforma il tubo grezzo facendogli assumere la forma dello

stampo.

idroformatura di un tubo. In questo caso il fluido viene immesso all’interno del tubo che viene quindi spinto contro le pareti dello stampo.

Il processo è definito a bassa o ad alta pressione a seconda che il fluido sia a pressioni minori o maggiori di

830 bar (12000 psi). Le pressioni più elevate sono necessarie con le geometrie più complesse. Nel caso delle

bicilette si arriva a pressioni di 1000 bar per cui si parla di idroformatura ad alta pressione.

LA PREPARAZIONE

Prima di sottoporre un profilato a idroformatura, ci sono una serie di passaggi di preparazione del tubo grezzo

che vanno rispettati:

- Trafilatura: il procedimento di trafilatura serve per ottenere lo spessore desiderato del profilato. Spesso la

trafilatura per l’idroformatura avviene a spessore costante, ovvero tutta la sezione ha spessore uguale, mentre

per lavorazioni particolari o telai particolarmente ricercarti, si possono effettuare delle trafilatura a sezione

variabile in modo da ottenere ad esempio delle tubazioni più sottili al centro, dove le sollecitazioni sono minori,

e più spesse alle estremità dove le sollecitazioni sono maggiori. La trafilatura comunque produce un profilato

(solitamente un tubo) di sezione costante e forma rettilinea.

IMMAGINE 04: schema che illustra il procedimento di trafilatura. Nel caso dei tubi all’interno del tubo stesso viene posizionato un cilindro

calibrato. Il tubo con all’interno il cilindro viene fatto passare attraverso la matrice (filiera) e sottoposto ad una forza di trazione. Il

procedimento di trafilatura a sezione variabile è invece più complesso.

- Piegatura: una volta trafilato il tubo, tramite un apposita macchina si procede alla piegatura. Il tubo viene

piegato assumendo la curvatura definitiva. La curvatura avviene solitamente a freddo. A questo punto il tubo è

pronto per essere messo nello stampo di idroformatura. Naturalmente nel caso di tubazioni rettilinee questo

passaggio viene bypassato.

piegatubi idraulica

- Stampaggio: talvolta dopo la piegatura i tubi possono venire stampati in modo da fargli assumere una forma

quanto più possibile vicina a quella definitiva, procedimento utilizzato ad esempio per sezioni scatolate.

Una volta che il manufatto ha assunto una forma simile a quella definitiva, si può intervenire con il processo di

idroformatura vera e propria.

Il procedimento avviene secondo questo schema:

1. Posizionamento: il tubo viene posizionato all'interno dello stampo. Alle sue estremità due cilindri

provvedono a garantire la tenuta; uno di questi presenta un canale di alimentazione attraverso cui passerà il

fluido. Gli stampi sono realizzati in acciaio ad alta resistenza e sono tenuti chiusi da una pressa da 400-500

tonnellate.

2. Riempimento: lo stampo va in chiusura, grazie alla pressa che tiene unite le due parti dello stampo stesso.

Attraverso il condotto di mandata viene immesso nel tubo il fluido in pressione. I cilindri di tenuta possono

eventualmente esercitare un'azione di spinta assiale (feeding) per garantire un maggiore apporto di materiale

ed evitare un’eccessiva riduzione della sezione.

3. Deformazione: Per effetto della sollecitazione prodotta dalla pressione del fluido, il tubo si deforma andando

ad aderire alle pareti della cavità dello stampo. Il fluido è al 95% una soluzione acquosa e per il restante un

liquido emulsionante che consente di dissipare il calore e impedire la formazione di bolle di gas.

4. Estrazione: Si riporta il fluido alla pressione atmosferica. Lo stampo viene aperto ed il tubo svincolato dai

cilindri di estremità. Il tubo deformato è ora estratto. A questo punto il tubo viene pulito ed avviato al processo

di tempra (trattamento termico di indurimento).

PECULIARIETA’

L'hydroforming permette di ottenere forme più complesse senza ricorrere ad eccessive lavorazioni. Per quanto

riguarda l’utilizzo di questa tecnologia in ambito ciclistico, il più grande vantaggio è quello di poter

incrementare la resistenza senza aumentare il peso, ottenendo dei telai leggeri ma ugualmente robusti.

Naturalmente, poiché il metallo è sottoposto a grosse deformazioni plastiche, per la realizzazione di telai

idroformati sarà necessario utilizzare delle leghe più duttili, in particolare le leghe della serie 6000 che tuttavia

necessitano di trattamento termico a fine lavorazione.

Tra i molteplici vantaggi della tecnologia di idroformatura i più importanti sono:

1. La possibilità di ottenere forme complesse, anche con sottosquadri (venature di rinforzo, ndr), non ottenibili

con processi tradizionali di deformazione, permette di ridurre il numero di componenti di un particolare e quindi

evitare complesse operazioni di assemblaggio.

2. Nel caso di assemblaggi mediante saldature, la loro eliminazione migliora le caratteristiche meccaniche e

tecnologiche del prodotto. Nel caso di particolari strutturali la mancanza delle saldature può ridurre costosi

controlli dei manufatti alla ricerca di difetti (cricche).

3. Permette una maggiore libertà formale, consentendo ai designers di esprimere maggiormente la loro

creatività. La mancanza di giunzioni o saldature migliora l'aspetto estetico del prodotto.

4. In molti casi l'uso dell'elemento fluido come parte dello stampo consente di ridurre i costi complessivi delle

attrezzature di produzione. Vantaggio non indifferente nel caso di piccole serie di produzione.

Se il procedimento di per se non comporta alcun incremento prestazionale del manufatto, permette tuttavia di

con altri sistemi più tradizionali. E’ ad esempio possibile

ottenere delle lavorazioni più complicate, non ottenibili

realizzare delle venature di irrigidimento che sostituiscono fazzoletti di rinforzo saldati. Si può ottimizzare al

sezione del telaio ottenendo delle sezioni di forma trapezoidale o ellittica in presenza di curvature anche

pronunciate della tubazione. Insomma i vantaggi dati da questa tecnologia riguardano la maggiore libertà di

progettazione, eliminando molti dei vincoli imposti dai procedimenti tradizionali.

TELAI IN ACCIAIO

CATRATTERISTICHE

1. Una proprietà meccanica esaltata dagli acciai è il modulo di elasticità (modulo di Young) ovvero la

2

resistenza alla deformazione elastica, che tocca i 210.000 N/mm (30.000.000 psi circa) nelle migliori

leghe di acciaio; ricordiamo che a valori maggiori corrisponde maggiore rigidità del materiale. Il valore

2

dell'acciaio è circa il doppio di quello del titanio (105.000 N/mm ) e addirittura il triplo del modulo

2

Young dell'alluminio (70.000 N/mm ). In teoria una struttura in acciaio dovrebbe essere molto più

rigida di una in alluminio, tuttavia l'introduzione delle tubazioni "oversize" (sovradimensionate) in

alluminio, ha annullato questo vantaggio dell'acciaio e i telai più rigidi in commercio attualmente sono

di norma in alluminio. modulo d'elasticità 2

Materiale E - N/mm

Acciaio 210.000

Titanio 105.000

Alluminio 70.000

2. L'acciaio però ha come punto di forza rispetto all'alluminio il pregio di possedere una

migliore resistenza a fatica, che si traduce in una garanzia per l'acquirente che si ritroverà con un

telaio che "invecchia" molto più lentamente. L'utilizzo quindi non rappresenta per l'acciaio un "fattore

di alto rischio" così come lo è per l'alluminio che, con le continue sollecitazioni che derivano dall'uso,

perde più rapidamente le sue caratteristiche di resistenza alle rotture. L'acciaio inoltre presenta

un limite di fatica, cioè un carico che può essere applicato un numero infinito di volte senza

provocare rotture. Quindi modeste sollecitazioni non "affaticano" l'acciaio, mentre l'alluminio "soffre"

anche un carico minimo. 2

3. Un acciaio CrMo presenta carichi unitari di rottura pari a circa 900-1100 N/mm , mentre le migliori

2

leghe di acciaio sottoposte a trattamenti termici raggiungono i 1500 N/mm questi valori

sono tripli rispetto a quelli di un'ottima lega di alluminio; il prezzo da pagare per queste prestazioni è