Fibra de Carbono

       En el comienzo de los años sesenta, Colin Chapman, Diseñador Jefe de Lotus, introdujo el monocasco en la fórmula uno colocando placas delgadas alrededor de las barras del monocasco. Esta nueva tecnología aumenta la rigidez del chasis. Más adelante en la década de los setenta, el aluminio fue utilizado principalmente para estas construcciones, pero cuando estas estructuras resultaron no ser lo suficientemente resistente como soportar la carga aerodinámica de las alas, John Barnard lo estudio y desarrollo el chasis de un monoplaza hecho de Fibra de Carbono.

Propiedades

– El 85% de un monoplaza se construye con fibra de carbono. Curiosamente su peso no representa más del 30% del total, es decir, el monocasco puede pesar entre 40 y 60 kg.
– La fibra de carbono es cuatro veces más ligera y entre cuatro y siete veces más resistente que el acero.
– La resistencia del material dependerá del tipo de fibra utilizado y de su utilización, ya que en disposición del material será más o menos resistente y/o flexible.
– Cada fibra propiamente dicha tiene seis micrómetros de grosor, es unas 13 veces más fina que un cabello humano.

Los inconvenientes son su elevado coste y dificultades durante el proceso de modelado de las distintas piezas. La conservación de las piezas también trae otra serie de problemas a solucionar. La fibra de carbono llega a fábrica en rollos de 50 metros de longitud por metro o metro y medio de ancho. El metro cuadrado puede oscilar entre los 100 y los 145 euros. Por lo tanto cada rollo podría costar unos 5500 euros. En cuanto al proceso de conservación puede tener un ciclo útil de 12 meses, pero se debe guardar en cámaras frigoríficas a una temperatura constante de -19ºC. A temperatura ambiente puede echarse a perder en un par de días.

Cada vez que los operarios necesitan material de la cámara de conservación, deben sacarlo con una antelación de entre seis u ocho horas para que esté listo y pueda ser manipulado correctamente. Tampoco resulta tarea fácil cortar las distintas piezas para poder confeccionar diferentes elementos del monoplaza, ya sea el volante, los retrovisores, los alerones. A pesar de que hoy día los equipos disponen de ayuda de sistemas automáticos de corte, gran parte del trabajo se debe seguir realizando de manera manual.

Producción

Comúnmente, la fibra de carbono está producida por la polímero PAN, por lo que sólo tendremos en cuenta este tipo de fabricación. Después de un proceso de Sohio mejorado que consiste en una reacción entre propano y amoníaco, el resultado es acrilonitrilo, que transforma en poliacrilonitrilo después de polimerización.

Una vez que se ha producido este polímero, se puede continuar la fabricación de fibra de carbono. El primer paso del proceso es estirar el polímero para que quede paralelo a lo que eventualmente se convertirá en el eje de la fibra. Una vez que se ha hecho, el polímero es oxidado a 200-300 ° C en el aire, que elimina el hidrógeno y agrega oxígeno a la molécula. El polímero de cadena blanco se ha convertido ahora en un polímero negro, que tiene que ser purificado por carbonización. Esto implica calentar el polímero a una temperatura de hasta 2500 ° C en un entorno rico en nitrógeno, que expulsa las impurezas hasta el polímero contiene carbono 92-100%, dependiendo de la calidad requerida para la fibra. Las etapas finales en la producción de fibra de carbono implican tejer las fibras en hojas y en una resina epoxi. El resultado son hojas de fibra de carbono negro, que puede utilizarse para producir una variedad de productos.

Construcción en la F1

Los equipos de F1 utilizan fibras de carbono, impregnada de una resina epoxi y una capa de aluminio, que se intercala entre dos capas de fibra de carbono. El chasis suele ser la primera parte del coche a construirse, debido a la cantidad de tiempo requerido. El chasis normalmente consta de alrededor de 8 partes (paneles). La primera etapa del proceso de fabricación es construir un modelo sólido (computercut), desde el cual se produce un molde para el panel. Los moldes se construyen mediante el establecimiento de un total de 10 capas de fibra de carbono pre-impregnadas (con resina) de cada patrón para producir el molde. La producción del molde tiene lugar en varias etapas, con tratamientos de vacío, citoreducción y procesos de calor. El molde, a continuación, tiene que ser limpiado completamente y preparado para su uso.

La siguiente fase es la fabricación real de una parte del coche, hecha de laminas de fibra de carbono divididas, pre-impregnadas, que se colocan cuidadosamente dentro de los moldes. Es de vital importancia orientar las láminas de fibra de carbono en una orientación determinada a fin de lograr la intensidad deseada. Se establece un total de 5 capas de fibra de carbono, formando la parte exterior del chasis (para lograr un espesor de 1 mm, un total de 3-4 capas de fibra de carbono deben establecerse final).

La siguiente etapa del proceso es la cura de la fibra de carbono en un autoclave. Esto expone la fibra de carbono a una alta temperatura y presión ciclos de acuerdo a las necesidades específicas de los materiales y componentes que se están procesados. Durante este tratamiento, la resina impregnada en la fibra de carbono desemboca en las fibras circundantes y se activa, ‘curando’ la fibra de carbono. Una vez que se ha curado y enfriado el exterior, una capa de panal de aluminio se fija sobre el exterior por una lámina de resina para asegurar que los materiales se adhieren. El panel del chasis, a continuación, vuelve al autoclave para el proceso de ‘curado’. Después de haberse enfriado nuevamente, una capa más, conformado por un número de láminas de fibra de carbono pre-impregnada se colocan en la parte superior y son tratados nuevamente en el autoclave por última vez. A continuación veremos como es el proceso de preparación de la fibra de carbono:

El autoclave: Un gran horno.

A lo largo de la etapa de puesta en marcha de la producción de chasis, en la sala de materiales compuestos de limpieza, los autoclaves tienen un número de diferentes usos, entran en juego para lo que se denominan ‘de-bulks’ y la ‘curación’. Un autoclave es, esencialmente, un gran horno presurizado en el que ‘cocinamos’ la fibra de carbono, pero por supuesto, es mucho mas complejo que esto. La construcción del chasis se desarrolla en etapas, el establecimiento de los diferentes cortes de fibra de carbono, y el autoclave tiene un papel vital en cada etapa. Cocinamos las partes a diferentes temperaturas y presiones distintas en el vacío, para extraer cualquier aire del material. Por cada parte que entra en el autoclave, el proceso es el mismo: la fibra de carbono colocada en el molde debe estar cubierta de una capa plástica transpirable, para permitir la salida del aire. Se cubre con una tela de respiración, antes de ser colocado en una bolsa de nylon que entra en el horno.

‘De-bulks’ y ‘Curación’

Los dos procesos principales durante el cual los autoclaves entran en juego son el ‘de-bulk’ y ‘curación’: El primero de ellos se utiliza para compactar y comprimir el material, con el de-bulk, por lo tanto, utilizamos temperaturas más bajas, que se obtiene de la resina hasta el punto donde fluye y compacta el material hacia bajo en el molde. La cura es el proceso durante el cual la fibra de carbono adquiere su fuerza y rigidez. Normalmente, para la primera curación del chasis, lo pondremos en el autoclave durante tres o cuatro horas, a una temperatura de hasta 180ºC bajo una presión de alrededor de 100 psi. La presión se incrementa constantemente como aumentos de temperatura: El punto exacto en el que se hace es un secreto por parte de los equipos, ya que puede aportar una importante ventaja.

Mecanizado Final

Una vez finalizada la curación definitiva, y el molde ‘agrietado’ para revelar la parte final, el chasis superior e inferior deberán someterse al mecanizado final. Las mitades del chasis se montan en plantillas especialmente diseñadas construidas en la máquina de Huron y mecanizadas en agujeros a través de la fibra de carbono y las inserciones de varios metales para la recogida de suspensión o montajes de motor. Una vez que se ha hecho, las dos mitades están preparadas para ser enlazadas y entonces el chasis esta completo.

Steve Nevey, Jefe de Desarrollo de RedBull Racing, nos explica en el siguiente vídeo, el material y técnicas que utilizan para construir un fórmula 1, en el que hoy día son similares a las que se usan en la industria aeronáutica. En el que se obtiene una sólida y resistente pieza pero muy ligero.