La costruzione di un grande albero in carbonio

Ci sono 2 metodi principali per realizzare una struttura laminata ovvero quelli comunemente definiti mediante stampo maschio o stampo femmina.
In soldoni lo stampo femmina è quello in cui si depongono i tessuti all’interno dello stesso, pertanto il primo tessuto che metto sarà quello esposto alla vista ed all’ambiente. Lo stampo maschio invece è l’opposto quindi il primo strato applicato sarà il più nascosto mentre l’ultimo strato sarà quello esposto.
Parlando di alberi possiamo immaginarci due vie:
1. laminare i tessuti di carbonio all’interno di due mezzi tubi più grandi (gli stampi), staccare dagli stampi le due metà albero così realizzate e finalmente unire fra di loro le due metà (solitamente metà anteriore e metà posteriore dell’albero, più raramente destro e sinistro)
2. laminare i tessuti in modo da fasciare un mandrino (lo stampo maschio), estrarre il mandrino e trovarmi di fronte all’albero finito.Ad un’analisi superficiale il metodo in stampo maschio pare più facile in quanto si salta un’operazione sicuramente difficile (più ancora per gli alberi grossi) ovvero quella dell’incollaggio delle due metà, oltre ad altri vantaggi che vedremo di trattare. Tuttavia il metodo nasconde diverse insidie, prima fra tutte la finitura estetica. Infatti va considerato e ricordato sempre che un bene costoso quale un albero in carbonio deve essere bello! Sebbene possa sembrare superfluo per uno strumento addetto alle performance della barca è innegabile che l’appeal del carbonio non risieda solo nelle sue proprietà meccaniche ma anche (o soprattutto??) nell’immagine di H tech che trasmette. Un albero costruito in stampo femmina sarà sicuramente più liscio ed omogeneo di uno fatto in stampo maschio, questo perché nello stampo femmina le fibre sono a contatto con una superfice perfettamente liscia quale lo stampo mentre lavorando con un mandrino si otterrà inevitabilmente una superfice più rugosa se non addirittura a gobbe (non per colpa del costruttore ma per l’inevitabile applicazione di tessuti di rinforzo).
Soluzione: l’albero estratto dal mandrino andrà abraso, reso perfettamente liscio e verniciato sia con trasparenti per evidenziare la fibra che mediante vernici colorate.

Tratteremo qui i passi necessari alla costruzione di un albero in carbonio mediante mandrino.

FASE 1 – Il mandrino

Tale elemento può essere realizzato in composito ma il più delle volte è in alluminio, in alcuni casi è un albero a sua volta. Si procede quindi all’applicazione di distaccante, il più delle volte film di teflon, per essere sicuri di poter estrarre l’albero ed all’irrigidimento del mandrino al fine di evitare che questo si possa deformare in seguito alla deposizione dei tessuti, la movimentazione o la cottura.

FASE 2 – La laminazione

La deposizione dei tessuti preimpregnati segue uno specifico piano detto appunto piano di laminazione. Tale piano è il risultato dell’analisi strutturale eseguita dal progettista secondo lo schema: definizione dei carichi dell’albero – determinazione del numero degli strati necessari a sostenere quei carichi.
I pre impregnati, tutti in carbonio con resina epossidica sono trasportati e conservati in freezer per garantirne la lavorabilità e la durata, vengono quindi estratti e tagliati poco prima dell’applicazione.
Qui di seguito è riportato un piano di laminazione esemplificativo di un albero di circa 30m che può arrivare ad avere anche 60 strati di carbonio.

A questo punto l’abilità dei laminatori è fondamentale per la realizzazione di un buon albero in quanto la tensione con la quale vengono disposti i tessuti determinerà il contenuto di vuoti dell’albero ovvero la sua rigidezza e durata. Risulta intuitivo che dovendo disporre dei tessuti su superfici convesse il rischi di lasciare dei vuoti sia più basso rispetto a superfici concave in quanto in un caso è possibile tirare i tessuti facilmente per farli ben aderire mentre nel secondo bisogna schiacciare i tessuti correndo il rischio di lasciare dei vuoti.
Durante la laminazione è consuetudine interrompere la disposizione degli strati periodicamente per procedere alla compattazione intermedia mediante il vuoto. E’ ovvio che maggiore è il numero di interruzioni e compattazioni e migliore sarà il risultato finale. Purtroppo questa operazione richiede ore di lavoro ed uso di materiale che spesso è a perdere (sacchi del vuoto e mastice) ragion per cui qualunque produttore tenderà a minimizzare il numero di vuoti intermedi.

Dal nostro punto di vista, overo controllori della qualità dei prodotti, dobbiamo ammettere che le compattazioni ogni 1-3 strati portano alla perfezione finale mentre vuoti più radi aumentano il rschio dell’insorfenza di vuoti ineliminabili.

FASE 3 – L’applicazione dei rinforzi

Localmente l’albero necessita di rinforzi atti a sostenere carichi o attriti particolari, vedi lista:

· piede
· uscita drizze
· attahi vang e boma
· attacchi crocette
· attacchi sartie e strallo
· testa

In queste zone è necessario aggiungere alla laminazione base altri strati che in alcuni casi possono anche arrivare a raddoppiare lo spessore iniziale. I rinforzi devono essere applicati al di sopra della laminazione base dell’albero generando quindi delle piccole “montagnole” .
Nel caso dello stampo femmina questo non avviene visto che lavorando sulle due metà aperte, i rinforzi possono essere facilmente disposti all’interno, prima dell’unione delle due metà.

FASE 4 – “La cottura”

Cottura è il termine culinario con cui oggi si usa chiamare il processo di polimerizzazione della resina. E’ necessario prima di cuocere l’albero, applicare un ultimo sacco del vuoto ed infilarlo nell’autoclave (qualora lo si avesse).
L’autoclave serve semplicemente, come una camera iperbarica, o una pentola a pressione, ad aumentare la pressione dell’ambiente a piacimento in modo da raggiungere una forza premente sulle fibre tale da abbassare ulteriormente il contenuto di vuoti tendendo se possibile allo 0.
Normalmente sarebbero necessarie circa 9 ore per la cottura, eseguita di solito tra gli 80 ed i 100°C, tuttavia per ragioni di sicurezza e per evitare shock termici, si preferisce riscaldare il forno ad un rate di un grado al minuto fino a circa 90°, procedere alla cottura vera e propria per circa 9 ore e finalmente raffreddare lentamente in circa 3 ore. Risultato circa 13 ore di forno.

FASE 5 – L’estrazione e la finitura

Mediante pistoni idraulici si procede all’estrazione del mandrino che può anche essere realizzato in più pezzi scomponibili al fine di agevolarne l’estrazione (se l’albero è alto 30m il mandrino è minimo 30 metri quindi serve un capannone di almeno 70 metri…).

Una volta fuori, l’abero potrà essere contrllato mediante ultrasuoni o test chimici ed infine dovrà essere ultimato con:

· piano di foratura (drizze, crocette ecc…)
· attacchi crocette
· applicazione delle trozze boma e vang
· passaggio dei testimoni per le drizze
· cavi elettrici
· stazione vento e radio
· sartie e stralli

In termini di tempo la fase 5 è di gran lunga la più lenta….

Ancora un appunto sulla differenza tra le due tecnologie: stampo maschio/femmina.
Parlando di stampo femmina se è qui accennato al fatto che è inevitabile ricorrere alla giunzione delle due metà, tale giunzione viene normalmente effettuata mediante adesivi strutturali supportati durante la cottura da un gran numero di rivetti o viti il cui scopo è di tenere le in contatto le flange delle due metà per permettere una buona presa del collante.

Sono evidenti due aspetti:

1. l’alto numero di fori (in alcuni casi anche un migliaio) rende necessaria l’applicazione di tessuti extra per evitare che i fori indeboliscano la struttura, quindi peso extra
2. se chi esegue materialmente l’incollaggio ha poca esperienza il danno può diventare enorme.