La Fibra di Carbonio è Valida per i Rotori dei Freni a Disco? I Test di Samuel.

I rotori dei freni a disco in fibra di carbonio sollevano perplessità. La reputazione del materiale per la scarsa dissipazione del calore è ben nota nel mondo dei freni a pattino, quindi è lecito chiedersi se sia adatto vicino a una superficie frenante. Samuel ha sottoposto il TC-160 a test di certificazione di terze parti per rispondere a questa domanda con dati.

L'argomento del freno a pattino in carbonio e perché non si applica ai rotori a disco

Immagine 1: Fonte: dandyhorse.cc, immagine di una pista frenante di un cerchio in carbonio danneggiata.

La critica si presenta così: la fibra di carbonio è un cattivo conduttore termico e quindi, sotto frenate prolungate, i cerchi in carbonio non riescono a dissipare il calore, aumentando la temperatura del cerchio e potenzialmente causando il cedimento del cerchio o persino lo scoppio degli pneumatici.

I compositi in fibra di carbonio sono costituiti da 2 materiali: il filamento di fibra di carbonio e la resina epossidica per tenere insieme il tutto.

La resistenza al calore dei filamenti di fibra di carbonio stessi di solito non è il problema, ma piuttosto la resina epossidica, in particolare la sua temperatura di transizione vetrosa (Tg).

Quando la resina raggiunge la Tg, si ammorbidisce e la struttura perde integrità.

Molti produttori di cerchi utilizzano resine ad alta Tg, nominalmente di 200-230°C, ma saltano la fase critica di post-polimerizzazione durante la produzione. Senza una corretta post-polimerizzazione (tipicamente 90-120 minuti a temperatura elevata), la resina non raggiunge mai la sua Tg nominale e i guasti possono verificarsi a temperature anche di soli 100°C.

La post-polimerizzazione è in conflitto con la produttività. È un processo che richiede tempo, limita la produzione giornaliera e aggiunge costi.

Molti marchi di cerchi della Cina continentale pubblicizzano alta produzione e prezzi bassi. In molti casi, la ragione è semplicemente che la fase di post-polimerizzazione viene completamente saltata. Senza di essa, non è possibile produrre un cerchio con elevata resistenza alle alte temperature. Questo è un altro motivo per cui l'industria è passata dai freni a pattino ai freni a disco, poiché la ricerca di set di ruote ottimizzati aerodinamicamente significa compromettere la sicurezza della frenata.

Immagine 2: Rotore Aero Samuel con alette in carbonio.

Tuttavia, con i freni a disco, il carico termico su una struttura in carbonio cambia completamente. La superficie frenante è un materiale separato, tipicamente acciaio inossidabile o acciaio+alluminio+acciaio, come fatto da Shimano. Il carbonio nelle ruote non è più nel circuito termico.

Quindi ora, la domanda è: come si comportano i rotori alettati in fibra di carbonio sotto carico termico?

Ma prima, esploriamo in cosa si differenzia il rotore alettato in fibra di carbonio TC-160.

In cosa si differenzia il TC-160?

Il TC-160 utilizza resina di grado aerospaziale, completa di post-polimerizzazione, che permette alle alette in carbonio di mantenere l'integrità strutturale fino a 350°C.

In confronto, le leghe di alluminio hanno un intervallo operativo sicuro di circa 110-120°C.

Combinato con laminati in fibra di carbonio a modulo medio-alto, il rotore è strutturalmente più rigido di un equivalente in alluminio, riducendo il rischio di deformazione del rotore sotto calore, causando sfregamenti del freno.

Il processo di post-polimerizzazione dura 8-9 ore per lotto. I pezzi si raffreddano naturalmente all'interno del forno per evitare sollecitazioni interne dovute a rapidi cambiamenti di temperatura, il che limita la produzione a un ciclo di forno al giorno e solo due o tre cicli a settimana.

Si capisce perché molte aziende sono tentate di saltare il processo di post-polimerizzazione per tenere il passo con la domanda. Samuel, tuttavia, non prende scorciatoie e sceglie di fare le cose nel modo corretto, a scapito della propria capacità produttiva.

Un altro aspetto che molti ignorano è che la fibra di carbonio ha una frequenza di vibrazione naturale più elevata rispetto al metallo. Ciò significa che il TC-160 è intrinsecamente meno soggetto a stridore del freno causato dall'attrito durante la frenata, rispetto ai rotori normali con alette in alluminio.

Come si confronta il TC-160 con Shimano?

Samuel ha condotto test con telecamere termografiche. I colori visualizzati rappresentano temperature relative, non assolute.

Per le temperature assolute, i parametri devono essere regolati per corrispondere all'emissività di ciascun materiale al fine di ottenere la vera temperatura in ogni punto. Pertanto, i blocchi di colore attuali sono solo a scopo di identificazione visiva.

I rotori in due pezzi con design alettato in alluminio (Shimano Dura-Ace come riferimento) conducono bene il calore, allontanandolo efficacemente dalla pista frenante in acciaio inossidabile.

Immagine 3: Immagine termica dei rotori Dura-Ace

L'Immagine 3 mostra effettivamente una forte conduttività termica. Il calore viene prelevato dalla pista frenante e trasferito alle alette in alluminio, come mostrato dalle aree rosse.

Immagine 4: Immagine termica dei rotori TC-160.

Le alette in carbonio del TC-160 hanno effettivamente una minore conduttività termica rispetto al rotore Dura-Ace, tuttavia:

1. I rivetti in acciaio inossidabile all'incrocio tra le alette in carbonio e la pista frenante fungono da barriera termica, limitando il trasferimento di calore nella struttura in carbonio.
2. Il composito di carbonio stesso ha bassa conduttività termica e alta resistenza al calore.

In breve, le alette in alluminio hanno una buona conduttività termica ma sono meno rigide rispetto alla fibra di carbonio.

Il TC-160 non dissipa il calore in modo altrettanto efficiente, ma il design strutturale è costruito attorno all'alta resistenza al calore piuttosto che alla conduzione del calore, riducendo il rischio di deformazione del rotore mantenendo un'eccellente rigidità attraverso le alette.

Come si comportano le alette in carbonio sotto carico termico?

Immagine 5: Dati di temperatura raccolti dopo una ripida pendenza del 15% e frenata intensa.

Immagine 6: Dati di temperatura raccolti 10 secondi dopo una pendenza del 15%.

L'Immagine 5 indica temperature elevate sulla pista frenante in acciaio inossidabile, mentre le aree circostanti rimangono ancora fresche, come mostrato nella zona blu/verde chiaro fredda dopo una frenata intensa su una discesa del 15%.

L'Immagine 6 mostra che la temperatura della pista frenante in acciaio inossidabile diminuisce gradualmente. Nel frattempo, il calore sulle nervature in acciaio inossidabile si trasferisce lentamente ai punti di rivettatura e si diffonde alla parte superiore delle alette in fibra di carbonio.

Ciò indica che l'elevato calore della piastra di attrito in acciaio inossidabile si diffonde gradualmente attraverso le nervature fino al punto di rivettatura. Pertanto, è possibile osservare una macchia verde calda attorno al punto di rivettatura.

Anche se la resina è un mezzo di immagazzinamento del calore, il valore di conduttività termica assiale (k) della fibra di carbonio è ancora sorprendentemente alto, quindi si osservano ancora delle macchie di colore dove il calore viene allontanato dalla fibra di carbonio.

Validazione di terze parti: rapporto di prova CHC

Samuel ha sottoposto il TC-160 a test indipendenti tramite il CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), un ente di collaudo taiwanese con accreditamento TAF (Taiwan Accreditation Foundation). L'accreditamento TAF significa che i risultati hanno riconoscimento internazionale.

Il rapporto CHC ha confermato che il TC-160 soddisfa i parametri di riferimento delle prestazioni termiche per i rotori dei freni a disco.

In test reali su macchina, la superficie frenante in acciaio inossidabile ha superato i 600°C, mentre la sezione dell'aletta in carbonio ha misurato poco più di 100°C nelle stesse condizioni, ben al di sotto del suo limite di 350°C.

In realtà, le bici da strada non possono generare temperature di attrito dei freni a disco superiori a 600°C, il che convalida la robustezza di questi rotori.

La variante Aero

La versione TC-160/140 Aero utilizza un profilo dell'aletta modificato per ridurre al minimo le turbolenze del flusso d'aria assiale tangenziale. Il compromesso è una sensibilità leggermente maggiore al vento laterale rispetto al TC-160 standard. È adatta per biciclette da corsa aerodinamiche dedicate e configurazioni da triathlon, dove tale compromesso ha senso.

Riepilogo

I rotori a disco in carbonio non sono freni a pattino in carbonio. I rotori a disco in carbonio non sono soggetti ai guasti dei freni a pattino in carbonio a causa della differenza di ingegneria.

Una corretta post-polimerizzazione dei compositi in fibra di carbonio è essenziale e contribuisce alla robustezza di questi rotori, tanto che in condizioni reali, il cedimento del rotore TC-160 a causa dell'ammorbidimento dell'epossidica non è proprio possibile, consentendogli di superare la certificazione CHC, accreditata presso la Taiwan Accreditation Foundation.