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

I rotori a disco in fibra di carbonio fanno sollevare qualche sopracciglio. La reputazione di questo materiale per la scarsa dissipazione del calore è ben meritata nel mondo dei freni con pattini sul cerchio, quindi è lecito chiedersi se sia adatto a trovarsi vicino a una superficie frenante. Samuel ha sottoposto il TC-160 a test di certificazione indipendenti per rispondere con dati alla questione.

L'argomento dei freni con pattini sul cerchio in carbonio e perché non si applica ai rotori a disco

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

La critica è la seguente: la fibra di carbonio è un cattivo conduttore termico e, di conseguenza, durante una frenata prolungata, i cerchi in carbonio non riescono a dissipare il calore, aumentando la temperatura del cerchio e causando potenzialmente il cedimento del cerchio o persino lo scoppio degli pneumatici.

I compositi in fibra di carbonio sono costituiti da 2 materiali: filamenti di fibra di carbonio e la resina epossidica che li tiene insieme. 

Di solito, il problema non è la resistenza al calore dei filamenti di fibra di carbonio in sé, bensì 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 dichiarate, sulla carta, per 200-230°C, ma saltano la fondamentale fase di post-curing durante la produzione. Senza un adeguato post-curing (in genere 90-120 minuti a temperatura elevata), la resina non raggiunge mai la Tg dichiarata e i cedimenti possono verificarsi a temperature di appena 100°C.

Il post-curing è in conflitto con la produttività. Richiede tempo, limita la produzione giornaliera e aumenta i costi.

Molti marchi cinesi di cerchi pubblicizzano un'elevata produttività e prezzi contenuti. In molti casi, il motivo è semplicemente che la fase di post-curing viene completamente saltata. Senza di essa, non è possibile produrre un cerchio con un'elevata resistenza alle temperature. Questo è un altro motivo per cui il settore è passato dai freni con pattini sul cerchio ai freni a disco: la ricerca di wheelset ottimizzati aerodinamicamente comporta compromessi in termini di sicurezza della frenata.

Immagine 2: Samuel Rotor Aero con alette in carbonio.

Tuttavia, con i freni a disco, il carico termico su una struttura in carbonio cambia completamente. La superficie frenante è realizzata in un materiale separato, in genere acciaio inossidabile oppure acciaio+alluminio+acciaio, come nel caso di Shimano. Il carbonio delle ruote non fa più parte del circuito termico.

La domanda diventa quindi: come si comportano i rotori alettati in fibra di carbonio sotto carico termico?

Prima, però, vediamo 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, con post-curing completo, consentendo alle alette in carbonio di mantenere l'integrità strutturale fino a 350°C.

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

In combinazione con laminati in fibra di carbonio di modulo medio-alto, il rotore è strutturalmente più rigido rispetto a un equivalente in alluminio, riducendo il rischio di deformazione del rotore sotto l'azione del calore, che causerebbe lo sfregamento dei freni.

Il processo di post-curing dura 8-9 ore per lotto. I componenti si raffreddano naturalmente all'interno del forno per evitare tensioni interne dovute a rapide variazioni di temperatura; ciò limita la produzione a un ciclo del forno al giorno e solo due o tre cicli alla settimana.

È facile capire perché molte aziende siano tentate di saltare il processo di post-curing 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 non conoscono 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 al fischio dei freni causato dall'attrito durante la frenata rispetto ai rotori tradizionali con alette in alluminio.

Come si confronta il TC-160 con Shimano? 

Samuel ha eseguito test con termocamere. I colori visualizzati rappresentano temperature relative, non temperature assolute.

Per ottenere temperature assolute, i parametri devono essere regolati in base all'emissività di ciascun materiale, così da rilevare la temperatura reale in ogni punto. Pertanto, le attuali aree colorate servono esclusivamente all'identificazione visiva.

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

Immagine 3: Termografia dei rotori Dura-Ace

L'immagine 3 mostra effettivamente un'elevata conducibilità termica. Il calore viene trasferito dalla pista frenante alle alette in alluminio, come mostrano le evidenziazioni rosse.

Immagine 4: Termografia dei rotori TC-160.

Le alette in carbonio del TC-160 presentano effettivamente una conducibilità termica inferiore rispetto al rotore Dura-Ace, tuttavia:

1. I rivetti in acciaio inossidabile nel punto di giunzione tra le alette in carbonio e la pista frenante fungono da barriera termica, limitando il trasferimento di calore alla struttura in carbonio.
2. Il composito in carbonio presenta di per sé una bassa conducibilità termica e un'elevata resistenza al calore.

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

Il TC-160 non dissipa il calore con la stessa efficienza, ma il design strutturale è concepito per privilegiare un'elevata resistenza al calore anziché la conduzione termica, riducendo il rischio di deformazione del rotore grazie all'eccellente rigidità mantenuta dalle alette.

Come si comportano le alette in carbonio sotto carico termico?

Immagine 5: Dati sulla temperatura raccolti dopo una discesa ripida al 15% e una frenata intensa.

Immagine 6: Dati sulla temperatura raccolti 10 secondi dopo la discesa al 15%.

L'immagine 5 indica temperature elevate sulla pista frenante in acciaio inossidabile, mentre le aree circostanti rimangono fredde, come mostra la zona blu/verde chiaro dopo una frenata intensa lungo una pendenza del 15%.

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

Ciò indica che il calore elevato della piastra di attrito in acciaio inossidabile si diffonde gradualmente attraverso le nervature fino al punto del rivetto. Per questo motivo, intorno al punto del rivetto è visibile una zona calda tendente al verde.

Sebbene la resina sia un mezzo di accumulo del calore, il valore (k) della conducibilità termica assiale della fibra di carbonio è comunque sorprendentemente elevato; per questo si osservano ancora aree colorate nei punti in cui la fibra di carbonio allontana il calore.

Validazione indipendente: rapporto dei test CHC

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

Nei test in condizioni reali effettuati sulla macchina di prova, la superficie frenante in acciaio inossidabile ha superato i 600°C, mentre la sezione con le alette in carbonio ha raggiunto poco più di 100°C nelle stesse condizioni, ben al di sotto del suo limite di 350°C.

Nella realtà, le bici da strada non possono generare temperature di attrito dei freni a disco superiori a 600°C, a conferma della robustezza di questi rotori.

La variante Aero

La versione TC-160/140 Aero utilizza un profilo modificato delle alette per ridurre al minimo le turbolenze del flusso d'aria tangenziale assiale. Il compromesso consiste in una sensibilità al vento laterale leggermente maggiore rispetto al TC-160 standard. È adatta alle bici da strada specificamente aerodinamiche e agli allestimenti da triathlon, dove questo compromesso è sensato.

Riepilogo

I rotori a disco in carbonio non sono freni con pattini sul cerchio in carbonio. I rotori a disco in carbonio non sono soggetti ai cedimenti dei freni con pattini sul cerchio in carbonio, grazie alla differenza nella progettazione.

Il corretto post-curing dei compositi in fibra di carbonio è essenziale e contribuisce alla robustezza di questi rotori; in condizioni reali, il cedimento del rotore TC-160 dovuto all'ammorbidimento della resina epossidica è semplicemente impossibile, consentendogli di superare la certificazione CHC, accreditata dalla Taiwan Accreditation Foundation.