F1 e innovazioni nel campo del carbonio

Per gli appassionati di Formula 1, la McLaren è un punto di riferimento imprescindibile, un pilastro del campionato da decenni. Se molti ricordano le difficoltà incontrate dalla scuderia nel 2015 dopo aver ripreso la collaborazione con il suo partner di lunga data Honda, pochi sanno che la McLaren ha rivoluzionato questo sport all'inizio degli anni '80.

Domenica 12 aprile 1981, sul circuito di Buenos Aires, Nelson Piquet conquistò la vittoria che lo avrebbe incoronato campione, ma si verificò anche un altro evento significativo, sebbene meno eclatante: la Marlboro-McLaren MP4/1 fece il suo debutto in gara come prima monoscocca in fibra di carbonio.

La stagione 1981 si aprì all'insegna delle polemiche. La FISA rifiutò di omologare la Lotus 88 con il suo innovativo concetto di doppio telaio, mentre la Brabham BT49C fece scalpore utilizzando una sospensione idropneumatica che aggirava la regola dell'altezza minima di 6 cm, sfruttando al massimo l'effetto suolo e mantenendo la vettura incollata alla pista. All'epoca, il team Brabham era guidato da Bernie Ecclestone. La soluzione in fibra di carbonio della McLaren fu rapidamente copiata da tutti i team del circus della Formula 1. Per capire il perché, basta dare un'occhiata all'evoluzione dei telai. Le prime vetture erano basate su telai in acciaio a scala che sarebbero ridicoli sulle auto stradali di oggi. A metà degli anni '50, i costruttori passarono a telai tubolari in acciaio saldato, poi le leghe di alluminio divennero gradualmente lo standard. Inizialmente si trattava di semplici lamiere di alluminio imbullonate al telaio, ma all'inizio degli anni '80 erano state sostituite da pannelli sandwich: un'anima a nido d'ape inserita tra due sottili strati di alluminio. Questi pannelli erano leggeri e rigidi, ma piatti, difficili da piegare e impossibili da saldare. Venivano quindi generalmente incollati e rivettati con supporti in alluminio. Quando la McLaren introdusse i rivestimenti in fibra di carbonio nell'aprile 1981, la flessibilità di questo materiale permise di modellare l'intero telaio in un'unica struttura monoscocca. Un materiale composito è costituito da due parti: una fibra di rinforzo e una matrice che lega le fibre tra loro e distribuisce i carichi. Le fibre più conosciute sono il vetro, l'aramide (Kevlar) e il carbonio; ne esistono altre, come lo Zylon, il basalto, la ceramica o persino le fibre vegetali, anche se queste ultime non hanno mai trovato posto nei compositi utilizzati nell'automobilismo. La fibra di carbonio stessa deriva dal PAN (poliacrilonitrile), un polimero noto anche nel mondo tessile con il nome di Dralon. Il processo prevede tre fasi: ossidazione a circa 250 °C, carbonizzazione in atmosfera priva di ossigeno a 1.000-1.500 °C e infine grafitizzazione a oltre 2.000 °C. Regolando la temperatura e il tempo di permanenza, i produttori possono adattare la rigidità e la resistenza alla trazione della fibra. I filamenti ottenuti vengono raggruppati in trecce da 1.000, 3.000 o 12.000 filamenti, che vengono poi tessuti o disposti in strati per formare tessuti.

La matrice è solitamente una resina sintetica (poliestere, epossidica, fenolica o acrilica), anche se sono state testate anche matrici metalliche (ad esempio, alluminio rinforzato con fibre di boro) e matrici ceramiche, queste ultime ora vietate in F1. I compositi con matrice in carbonio sono ancora utilizzati per i dischi e le pastiglie dei freni. Le resine sono generalmente sistemi a due componenti che induriscono quando vengono miscelati, sotto l'effetto del calore o dei raggi ultravioletti. In Formula 1, l'epossidico è il materiale più utilizzato, in quanto offre un'eccellente resistenza meccanica; la resina fenolica è riservata ai componenti che devono sopportare temperature superiori a 150 °C. I compositi carbonio-epossidici sono prodotti mediante stampaggio “a contatto”: strati di tessuto di carbonio impregnati di resina liquida vengono inseriti in uno stampo pretrattato, quindi induriti – a temperatura ambiente per un giorno o in un forno riscaldato in meno di un'ora. Questo metodo semplice richiede attrezzature minime e può essere implementato in un'officina di modeste dimensioni. Esiste anche una tecnica chiamata “stampaggio sottovuoto”. Il suo principio di base è simile a quello dello stampaggio a contatto, ma dopo aver posizionato l'ultimo strato di tessuto, vengono aggiunti un film di sformatura e un feltro di drenaggio, quindi il tutto viene sigillato in un sacchetto di plastica dal quale viene aspirata l'aria con una pompa. Il vuoto all'interno del sacchetto, combinato con la pressione atmosferica, crea una pressione uniforme su tutto il pezzo, migliorando la compattazione degli strati di carbonio e riducendo la quantità di resina necessaria per ottenere un composito ad alte prestazioni. L'attrezzatura richiesta è minima, ma la padronanza del processo è più impegnativa rispetto allo stampaggio a contatto. L'infusione funziona secondo un principio completamente diverso. Gli strati di tessuto asciutto vengono disposti nello stampo, avvolti nello stesso sacco utilizzato per lo stampaggio sotto sacco, e l'aria all'interno viene evacuata con una pompa. La resina liquida è contenuta in un serbatoio collegato al sacco tramite uno o più tubi controllati da valvole. Quando le valvole si aprono, il vuoto aspira la resina nel sacco, dove impregna il tessuto. Sebbene complesso e difficile da implementare, questo metodo è preferibile per componenti di grandi dimensioni come le pale delle turbine eoliche.

Nel metodo “preimpregnato” (pre-preg), i tessuti sono già saturi di una resina molto viscosa e vengono conservati congelati. Una volta tolta dal congelatore, la resina inizia a indurirsi molto lentamente, conferendo al materiale una consistenza simile a un sottile foglio di cuoio che può essere facilmente tagliato. Gli strati di tessuto vengono quindi disposti nell'ordine e nell'orientamento richiesti, inseriti nello stesso sacchetto e induriti in un'autoclave. L'alta pressione all'interno dell'autoclave compensa la viscosità della resina, garantendo un adeguato compattamento. Questa è la tecnica utilizzata nella Formula 1 e nell'industria aerospaziale, poiché è altamente riproducibile. Paradossalmente, richiede meno competenze manuali, ma rimane la più costosa. I processi meno comuni includono l'avvolgimento filamentare per tubi o bombole di gas e lo stampaggio a iniezione.

Compositi carbonio/carbonio Quando sia il rinforzo che la matrice sono in carbonio, si ottiene un composito carbonio-carbonio. Nella Formula 1, questo materiale è utilizzato principalmente per i dischi dei freni. Le fibre di carbonio vengono lavorate a maglia o tessute in tre dimensioni per avvicinarsi alla forma finale, quindi impregnate di pece (un residuo della distillazione del petrolio simile al bitume). Il pezzo subisce la stessa serie di trasformazioni del carbonio a base di PAN, compresa la carbonizzazione a circa 1250 °C in un'atmosfera inerte di azoto. Una volta eliminata la crosta superficiale, il ciclo di impregnazione-carbonizzazione viene ripetuto fino a ottenere l'omogeneità desiderata. Il componente viene quindi impregnato di silicio liquido per rafforzarne la resistenza all'abrasione, quindi grafitato a temperature superiori a 2.000 °C. Una volta raffreddato, viene lavorato per ottenere le dimensioni finali. Il concetto sandwich Quando si parla di compositi, si fa inevitabilmente riferimento al principio sandwich: un'anima leggera e incomprimibile è inserita tra due rivestimenti compositi. In Formula 1, il nucleo più comune è il nido d'ape Nomex (carta impregnata di resina fenolica), utilizzato parallelamente al nido d'ape in alluminio dagli anni '80. Un nucleo meno conosciuto, utilizzato nel pavimento delle Chevrolet Corvette, è il legno di balsa. Sì, il legno può essere parte integrante di una costruzione high-tech. Poiché la rigidità aumenta con il quadrato dello spessore, un aumento di tre volte dello spessore comporta un aumento di 27 volte della rigidità, rendendo il peso aggiuntivo dell'anima trascurabile rispetto al guadagno in termini di rigidità.

La fibra di carbonio e i suoi vantaggi Oltre alla sua bassa densità, la fibra di carbonio offre un'eccellente resistenza alla trazione e alla compressione, nonché una grande rigidità. Un pezzo in fibra di carbonio può essere quattro volte più rigido di un pezzo in lega di alluminio o dieci volte più rigido di un pezzo in acciaio dello stesso peso. La progettazione dei compositi consente agli ingegneri di allineare le fibre direttamente con le sollecitazioni a cui sarà sottoposto un pezzo, scegliendo il tipo di fibra, il tessuto e l'orientamento per ottimizzare le prestazioni. Questo approccio su misura elimina lo spreco di materiale, a differenza dei metalli che, ad eccezione di processi come la forgiatura, offrono la stessa resistenza in tutte le direzioni. Sviluppi La gamma di matrici e rinforzi utilizzati nei compositi è rimasta pressoché invariata nel corso degli anni, ma i recenti progressi hanno aperto numerose nuove possibilità di utilizzo per questi materiali.

Uno dei settori in cui sono stati compiuti progressi è quello della produzione: i progressi nella prototipazione rapida e nell'attrezzatura consentono ora di produrre un componente composito completamente nuovo in soli tre giorni, compresi gli stampi. Inoltre, una gamma di tecnologie di stampa 3D consente ai produttori di lavorare direttamente con polvere di grafite o fibre di carbonio lunghe senza ricorrere a uno stampo tradizionale.

Allo stesso tempo, questo settore copre estremi, dai nanotubi di carbonio di pochi micron alle fibre massicce con ali larghe che adornano i cofani delle attuali monoposto. Prendiamo l'esempio della Marlboro-McLaren MP4/1. Nel 1981, tutte le auto del campionato erano ancora dotate di una carrozzeria sul telaio. La MP4/1, alimentata da un motore Ford Cosworth V8 da 3 litri, non faceva eccezione alla regola, ma la sua rivoluzionaria scocca in fibra di carbonio era modellata attorno a uno stampo maschio a forma di punzone. La scocca nuda, visibile nella foto qui sotto, presentava difetti superficiali che la rendevano inadatta alla carrozzeria in quella fase. Ci vollero diversi anni e la completa integrazione degli ammortizzatori e di altre parti della sospensione prima che la carrozzeria potesse essere utilizzata anche come rivestimento esterno dell'auto. La storia racconta che sabato 11 aprile 1981 John Watson si qualificò all'11° posto, molto più avanti del suo compagno di squadra Andrea de Cesaris, che utilizzava ancora il vecchio telaio. Il giorno dopo, Watson si ritirò a metà gara a causa di forti vibrazioni. Tuttavia, il 18 luglio dello stesso anno, vinse il Gran Premio di Gran Bretagna a Silverstone, segnando l'inizio del dominio della fibra di carbonio in Formula 1. Contenuto redatto da Patrice Véronel, distribuito da FranceF1.