Tubo in fibra di carbonio estruso vs acciaio: cosa dico agli acquirenti prima che effettuino l’ordine

Lavoro nel settore dei compositi dal 1989. Inizialmente con la tecnica dello hand lay-up, quindi con la pultrusione dalla metà degli anni Novanta in poi; ho tirato linee in quantità superiore a quella che vorrei ricordare. Ogni settimana qualcuno chiama e pone la stessa domanda: «Posso fibra di carbonio pultrusa tubo sostituire il tubo in acciaio nella mia applicazione?»

A volte la risposta è sì, e non c'è nemmeno confronto. Altre volte li dissuado, e perdo l'ordine. Va bene così. Un tubo che fallisce sul campo costa a entrambi molto di più di un tubo che non ho mai venduto.

La densità è l'intero argomento

Il primo dato che presento è la densità del CFRP rispetto a quella dell'acciaio. Il polimero rinforzato con fibra di carbonio ha una densità compresa tra 1,55 e 1,60 g/cm³. L'acciaio dolce ha una densità di 7,85. L'alluminio si attesta a 2,70. Sostituendo un materiale con l'altro a identiche dimensioni, si riduce il peso di circa l'80 percento.

Ma nessuno acquista davvero in questo modo. Si riprogetta intorno al materiale, e quando lo si fa, il risparmio reale si attesta tra il 55 e il 70 per cento a parità di rigidezza flessionale. Resta comunque enorme. Su un’asta di due metri, la differenza è tra un uomo che la trasporta da solo e due uomini che imprecano.

Questo divario è il motivo per cui il tubo in fibra di carbonio pultruso  compare per primo ogni volta che un acquirente ha un tetto massimo rigoroso per il peso e non dispone di ulteriore spazio nel progetto.

Questa è la parte che la maggior parte dei fornitori salta. L’acciaio ha un modulo di elasticità compreso tra 200 e 210 GPa. I tubi in CFRP estrusi a modulo standard raggiungono invece 130–165 GPa nella direzione assiale, a seconda della frazione volumetrica di fibra. Per chilogrammo, il carbonio vince di circa un fattore otto. Per unità di sezione trasversale, l’acciaio è più rigido. Se il vostro compito è limitato dallo spazio piuttosto che dal peso, l’acciaio è la scelta migliore e lo dirò chiaramente al telefono.

Valori di resistenza con un significato reale

La resistenza dei tubi in fibra di carbonio è il campo in cui il marketing diventa assurdo. I fogli tecnici indicano 3.500 MPa perché questo è il valore di trazione del filamento grezzo, non del laminato. Ignorate questi dati.

Un profilo unidirezionale in fibra di carbonio ottenuto per pultrusione, con una percentuale di fibra in volume compresa tra il 55 e il 65 %, fornisce una resistenza a trazione assiale di 1.500–2.400 MPa utilizzando roving di classe T700. L’acciaio Q235 presenta invece una resistenza a trazione di circa 370–500 MPa. Dividendo per la densità, il rapporto tra resistenza specifica risulta pari a circa 15–20 volte. Questo è il valore da considerare nel processo di progettazione.

La resistenza a trazione trasversale è un discorso diverso ed è un dato che nessuno riporta. Si attesta probabilmente tra 30 e 60 MPa, poiché è la resina – non la fibra – a sopportare il carico. La resistenza al taglio interlaminare varia invece tra 40 e 70 MPa. È proprio in questo intervallo che si verificano i cedimenti. tubo in fibra di carbonio pultruso in esercizio, un componente quasi mai cede per trazione assiale. Il cedimento avviene invece quando un carico lo comprime lateralmente.

Ciò che la pultrusione offre – e ciò che sottrae

La pultrusione trascina roving continui attraverso un bagno di resina e quindi in una matrice riscaldata. Tutti i materiali avanzano lungo un’unica direzione (zero gradi). Ciò consente di ottenere la più alta frazione volumetrica di fibra disponibile in qualsiasi processo industriale standard, nonché una rigidezza assiale che nessun tubo avvolto manualmente può eguagliare allo stesso prezzo.

Ciò che non si ottiene è la resistenza alla sollecitazione circonferenziale. Di solito è presente un velo superficiale, talvolta un leggero tessuto a maglia in sezioni più spesse, e questo è pressoché tutto. Il tubo avvolto a rullo presenta strati orientati a ±45 gradi. Tubo in carbonio estruso fondamentalmente non la possiede. Perciò resiste male alla torsione e alle sollecitazioni radiali concentrate.

Nel 2019 ho visto il palo da 14 mm di un cliente spaccarsi longitudinalmente per tutta la sua lunghezza: una fascetta stringitubo serrata con un trapano a batteria. La fascetta non ha mai slittato. Il tubo si è rotto per primo, in sollecitazione circonferenziale, a circa un terzo del carico che avrebbe sopportato in flessione pura.

Quel rumore rimane impresso nella memoria.

Scegliere la misura senza mettersi in imbarazzo

La scelta della misura è dove osservo gli errori più costosi. Ogni tubo in fibra di carbonio estruso viene venduto indicando diametro esterno (OD), diametro interno (ID) e lunghezza; i compratori si concentrano sui primi due parametri, mentre è proprio il terzo a determinare se il componente funzionerà effettivamente oppure no.

Atubo in fibra di carbonio da 6 mm è la dimensione più piccola del catalogo. Tipicamente 6 mm di diametro esterno e 1 mm di spessore della parete. Bracci per droni su quadricotteri leggeri, punte per pali da tenda, aste di comando per modellini radiocomandati, collegamenti per attuatori. Con uno spessore di 1 mm il laminato è così sottile che una trapanatura affrettata provoca la delaminazione sul lato di uscita, senza possibilità di riparazione. Supportare il foro con un tappo oppure accettare lo scheggiamento.

Il tubo in fibra di carbonio da 14 mm è la dimensione che cito più frequentemente. 14 × 12 o 14 × 10, talvolta in set telescopici. Sliders per fotocamere, aste per potatura, aste per rilievi topografici, longheroni per aquiloni, alberi per antenne. A questo diametro lo spessore della parete rappresenta la vera scelta critica, e la maggior parte delle persone opta per uno spessore troppo ridotto. Uno spessore di 1 mm su un tubo da 14 mm equivale a una cannuccia sotto carico flettente.

Un tubo in fibra di carbonio lungo 2000 mm cambia completamente la conversazione. A due metri, la geometria prevale sul materiale. Un tubo da 14 mm caricato alla sua estremità è governato dal fenomeno del buckling, non dalla resistenza. La formula di Eulero fornisce il carico critico P = π²EI / (KL)². Raddoppiare la lunghezza riduce il carico critico di un fattore quattro. Ho avuto acquirenti che avevano specificato 2000 mm di tubo da 6 mm per un carico di 5 kg all’estremità. I calcoli dicevano già «no» ancor prima che io sollevassi il telefono. Si sarebbe piegato come uno spaghetto e poi si sarebbe accartocciato.

Per applicazioni telescopiche, chiedete esplicitamente — per iscritto — informazioni sull’ovalità e sulla rettilineità. Una deviazione di 1 mm al metro è normale. Tolleranze sul diametro esterno (OD) comprese tra ±0,1 e ±0,2 mm sono realizzabili; i fornitori economici non le rispettano, ed è proprio per questo che le vostre sezioni si incastrano a metà estrazione sul campo.

Quando un diametro di 4 pollici è la scelta giusta, e quando invece è una pessima idea

Atubo in fibra di carbonio da 4 pollici ha un diametro esterno (OD) di 101,6 mm. Questo è un componente strutturale, non un elemento di fissaggio. È necessario uno spessore minimo di parete compreso tra 4 e 6 mm; altrimenti, si verifica il buckling locale ben prima di raggiungere i limiti del materiale.

Gli utensili per quella dimensione sono costosi. Grande matrice, estrattore pesante e l'esotermia all'interno di una sezione spessa rappresenta un problema a sé stante. La resina al centro di una parete da 6 mm può sviluppare un'esotermia così intensa da provocare crepe nel laminato dall'interno verso l'esterno. Non le vedrete mai dall'esterno.

Esaminiamo sezionando ogni produzione con pareti spesse. In un ordine del 2021 chiesi tale ispezione dopo aver notato una qualità superficiale troppo perfetta, e riscontrai crepe centrali in tre campioni su dieci. Rifiutammo l'intero lotto. Il fornitore discusse per una settimana.

Per diametri da 4 pollici, chiedetevi se avete davvero bisogno di carbonio ovunque. Una stratificazione ibrida — carbonio all'esterno per la rigidità e vetro all'interno per il costo contenuto e la resistenza agli urti — offre spesso l'80 percento delle prestazioni a metà prezzo. Lo ripeto continuamente. Mi riduce il margine, eppure continuo a dirlo.

Come gli acquirenti rovinano da soli i propri tubi

Le morse sono il principale responsabile di danni. Non applicare mai direttamente una morsa su una superficie pultrusa. Incollare un manicotto in alluminio, inserire un tappo interno oppure utilizzare un blocco diviso con rivestimento in gomma. Il tubo non è influenzato dal momento torcente della morsa.

Poi c’è la corrosione galvanica. La fibra di carbonio è conduttiva e più nobile rispetto all’alluminio o all’acciaio. Fissare un tubo in fibra di carbonio pultruso  a una staffa in alluminio in un ambiente umido provoca la dissoluzione della staffa stessa. Ho visto alberi tornare dopo diciotto mesi di navigazione offshore con le staffe ridotte a una pasta grigia. Isolare mediante uno strato di velo in vetro oppure utilizzare acciaio inossidabile con sigillante adeguato, accettandone l’intervallo di manutenzione.

Il taglio è il terzo fattore critico. Tagliare in umido, aspirare la polvere, indossare protezioni respiratorie adeguate. La polvere di carbonio è conduttiva e si diffonde facilmente. In un laboratorio visitato nel 2017, un controllore CNC fu danneggiato perché il taglio di tubi avveniva sullo stesso banco utilizzato per l’assemblaggio di componenti elettronici. La polvere si depositò all’interno dell’armadio e causò un cortocircuito sulla scheda. Non effettuare mai tagli di materiali in carbonio nelle vicinanze dell’area di assemblaggio.

Quindi riscaldamento. I normali sistemi epossidici utilizzati nella pultrusione presentano una temperatura di transizione vetrosa (Tg) compresa tra 80 e 120 °C. Un tubo nero lasciato al sole diretto nel Xinjiang raggiunge quasi tale temperatura ancor prima di essere caricato. La rigidità diminuisce man mano che ci si avvicina alla Tg. Questo non è un reclamo in garanzia, ma semplice fisica.

Costo approssimativo

Gli acquirenti chiedono sempre un valore numerico prima di rivelarmi l’applicazione prevista. Ecco quindi la forbice di prezzo, soggetta a variazioni in base ai prezzi dei roving, estremamente volatili dal 2022.

Un tubo da 6 mm realizzato con roving di classe T300 costa all’incirca da 3 a 6 dollari al metro per ordini in volume. I diametri da 14 mm vanno da 8 a 15 dollari. Passando a roving di classe T700, il prezzo aumenta del 30–40%, poiché il materiale stesso è più costoso, non perché qualcuno applichi margini aggiuntivi. Un tubo da 4 pollici con spessore di parete di 5 mm costa da 120 a 200 dollari al metro: qui si paga tanto il tempo di lavorazione dello stampo quanto il materiale.

Un tubo d’acciaio senza saldature con diametro esterno comparabile costa da 2 a 4 dollari al metro. Tale rapporto sorprende chi consulta soltanto le tabelle di densità. A tubo in fibra di carbonio pultruso è da cinque a trenta volte il costo del materiale, e lo acquisti perché il risparmio di peso si ripaga da solo in termini di costi di trasporto, di manodopera per l'installazione, del motore che non ti serve più o del carico utile che puoi ora trasportare.

Se nessuno di questi fattori si applica, compra acciaio. Intendo proprio questo.

Cosa chiedere prima di inviare l'ordine d'acquisto

Chiedi la qualità del filato: T300, T700 o qualcosa di non etichettato proveniente da un magazzino di un intermediario. Chiedi la frazione volumetrica di fibra; se non te la sanno fornire, non l'hanno mai misurata. Chiedi quale sistema di resina viene utilizzato – epossidica o vinilestere – e qual è la sua temperatura di transizione vetrosa (Tg). Chiedi per iscritto la tolleranza di rettilineità.

Chiedi un campione della lunghezza intera, non un ritaglio di 200 mm. I ritagli nascondono curvature, torsioni e linee di estrusione che emergono solo su lunghezze superiori a due metri. Chiedi se i test vengono eseguiti secondo ASTM D3916 o ISO 527, oppure se ogni mese viene semplicemente provato un singolo provino e ci si augura il meglio.

Aproduttore di tubi in fibra di carbonio pultrusi chi non è in grado di indicarti la dimensione del fascio (tow size) del filato presente nel proprio filiera sta tirando ad indovinare, e sei tu a pagare quando l'indovinello va storto.

Stabilire anche gli oneri per gli utensili e la quantità minima d'ordine fin dall'inizio. Le misure standard vengono spediti in pochi giorni. Un profilo personalizzato da 4 pollici con uno spessore di parete di 5 mm richiede una nuova matrice, un tempo di consegna di tre-cinque settimane e un costo aggiuntivo per la realizzazione dell'utensile. Nessuno ama sentirselo dire, ma è meglio che una sorpresa in fattura.

L'acciaio non è morto

Io uso l'acciaio. È economico, resistente, sopporta gli urti, i raggi UV non lo danneggiano e lo si può saldare sul campo con un generatore e una smerigliatrice.

Il carbonio è la soluzione quando il peso è il problema che non si riesce a risolvere in alcun altro modo. Un tubo in fibra di carbonio pultruso fa qualcosa che nessun metallo può fare: sopporta carichi notevoli con un quinto della massa. Rispettarne i limiti e durerà più a lungo dell'acciaio che ha sostituito.

Ignorare tali limiti significa che tra diciotto mesi mi chiamerete al telefono per chiedermi perché si è rotto.