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A cura di Oscar da Bagno
Sommario
I Di cosa è fatta una canna da pesca
II Come viene costruita una canna da pesca
III Proprietà meccaniche dei compositi
IV Il "Rolling Process"
V Glossario
VI Bibliografia Essenziale
I - Di cosa è fatta una canna da pesca
Se togliamo dalla canna la placca portamulinello, gli anelli, le legature ed il sottile strato di vernice protettiva (pù o meno trasparente) arriviamo alla sua vera anima : il materiale composito. Si chiama proprio "composito" perché è fatto di due parti distinte chiamate rispettivamente fibra e matrice ed hanno carateristiche meccaniche complementari, quindi studiate per lavorare assieme.
La fibra ha il compito di fornire al composito resistenza e rigidezza : può essere avvolta singolarmente, avvolta come un fascio, essere tessuta come una stoffa oppure intrecciata a formare un trefolo : se invece viene spezzettata in tanti segmentini e dispersa nella matrice assume il nome di wisker.
Una curiosità:per colmo di ironia anche il cemento armato può essere considerato un materiale composito in quanto le fibre sono costituite dai tondini di ferro e la matrice dal calcestruzzo.
Le fibre più utilizzate nel mondo per la costruzione di attrezzi da pesca sono :
Fibre di vetro : sono state le prime ad essere introdotte storicamente come materiale per la costruzione delle canne da pesca. Si utilizza una pasta di vetro particolare che viene scaldata e filata : dopo opportune lavorazioni assume l'aspetto di un semplice filo di nylon ma con caratteristiche meccaniche eccezionali. Purtroppo questa fibra è piuttosto pesante, inoltre non è particolarmente elastica quindi a meno di particolari applicazioni (vettini in vetro pieno) è stata quasi del tutto soppiantata dal carbonio.
Fibre di grafite : la grafite, essendo carbonio purissimo in cristalli, deve essere sottoposta ad una serie di lavorazioni che danno,come prodotto finale, un filo di carbonio. Malgrado abbia caratteristiche meccaniche notevolmente superiori al vetro, la sua difficile lavorazione ed il suo alto costo ne hanno ritardato l'impiego negli attrezzi da pesca.
Fibre aramidiche (Kevlar) : sono delle fibre non organiche : le loro caratteristiche meccaniche sono superiori a quelle del carbonio ma il costo altissimo ne limita ancora la diffusione.
Il compito della matrice è invece quello di trasferire alle fibre i carichi applicati. Si presenta come una pasta che "bagna" tutta la fibra, infatti è necessario che resti attaccata a tutti i filamenti, nessuno escluso: è un pò la "colla" che unisce e mette in forma i vari fasci di fibre : si utilizzano principalmente due tipi di matrici polimeriche ovvero :
Matrici epossidiche : sono composte principalmente di resina epossidica, la prima ad essere usata per economicità e seplicità d'uso.
Matrici fenoliche : più sofisticate ma più performanti delle precedenti.
Per fare un po' di chiarezza basti ricordare che, storicamente, le prime canne che sono state prodotte erano di fibra di vetro in matrice di resina epossidica, facili da lavorare ed estremamente economiche.
II - Come viene costruita una canna da pesca
In passato, le ditte che costruivano canne da pesca non producevano da sé i materiali compositi, poiché il processo richiedeva tecnologie molto sofisticate e costose ; si preferivano allora due soluzioni : la prima, che si utilizzava fino agli anni '80, è quella di comprare semilavorati ovvero segmenti di canna che poi la ditta taglia ed incastra fino ad assemblare in un fusto dalla buona curvatura, aggiungendo anelli e placca.
La seconda soluzione prevedeva l'acquisto di prepreg, ovvero uno strato di fili preimpregnati di matrice non ancora indurita : e ovvio che questo tessuto verrà avvolto e modellato per dare forma al segmento di canna : si potranno avvolgere più strati in direzioni diverse, oppure vari tipi diversi di tessuto : alla fine il tutto viene posto in autoclave dove, ad alta pressione e temperatura, la matrice si indurisce (si polimerizza) e viene creata la canna vera e propria: questo processo di lavorazione si chiama laminazione (o Lay-up).
Un altro processo abbastanza comune è il Filament Winding , termine inglese che sta a significare l'avvolgimento e la tessitura delle fibre intorno ad una forma (o mandrino) ; una volta avvolto, il tessuto viene impregnato di matrice e mandato in autoclave : all'uscita il mandrino viene rimosso e resta la canna. Tutti e due i sistemi di lavorazione hanno pro e contro dovuti, come al solito, ai costi ed ai tempi di lavorazione.
III - Proprietà meccaniche dei compositi
La prima cosa che balza all'occhio è questa : le fibre resistono molto bene a trazione, cioè se vengono tirate nel senso delle fibre ; al contrario se la trazione è applicata trasversalmente alle fibre il composito si apre come un libro; il composito inoltre non resiste molto a compressione, in entrambe le direzioni : quindi, in estrema sintesi, per dare il meglio di sé il composito può essere soltanto tirato solo nella direzione delle fibre.
Questo è certo un bel problema che i progettisti hanno superato "incrociando" i vari strati o i vari fili, affinchè, indipendentemente dalla direzione della sollecitazione vi sia sempre uno strato tirato nella direzione di massima resistenza ovvero un fascio di fibre sarà sempre tirato nel msenso ottimale e soltanto lui sopporterà tutto il carico a cui è sottoposta l'intera struttura.
Ora è chiaro che la nostra canna da pesca necessita di un'attenzione costante e di un'altrettanto costante manutenzione : è assolutamente necessario non esporre alla luce solare le canne (quando non siamo a pesca : s'intende !) poiché i raggi ultravioletti tendono a ripolimerizzare la matrice, ovvero tendono a trasformarla in una sostanza poco elastica e fragile quindi andrà più soggetta a rotture improvvise al momento del lancio.
Inoltre, una canna che viene lasciata al sole per molto tempo (per esempio sul terrazzo) subisce dei cicli di riscaldamento e di raffreddamento (giorno/notte) che indcono sulle fibre uno stress notevole, pochè ilcoefficiente di dilatazione termica della matrice è ben diverso da quello della fibra di cui sopra : in altre parole, è come se la matrice caricasse, a poco a poco, la fibra come una molla : tutto ciò fà sì che la canna da pesca è soggetta a rotture improvvise e non giustificate da sollecitazione esterna : senza che le tocchiamo si rompono; oppure la prima volta che facciamo un lancio ci esplodono in mano.
Edited by cicalone - 6/7/2005, 15:28
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IV Il "Rolling Process"
Con il termine "Rolling Process" (letteralmente "processo di rollaggio") ci si riferisce ad un tipo di lavorazione dei materiali compositi particolarmente adatto a cilindri pieni o tubi di lunghezza non superiore a 6 m (20 ft) e aventi diametro massimo in ragione di 15 cm (6 in). Rispetto al "filament winding" ed al "lay-up" (lavorazioni illustrate in numeri precedenti) il RP presenta una maggiore economicità ed un rateo di produzione più veloce, purchè non si superino le suddette dimesioni. Ovviamente risulta particolarmente adatto per i fusti delle canne da pesca : per questo merita una trattazione separata ed approfondita.
Per cominciare, consideriamo per seplicità dei tubi a sezione cilindrica costante ( come l'impugnatura delle ripartite) , il processo consta in buona sostanza nell'avvolgere intorno ad un cilindro di metallo detto mandrino un foglio di prepreg:per eliminare le bolle d'aria e favorire l'adesione degli strati è necessario applicare una disceta pressione sulla parte superiore del mandrino (vedi Fig.1 e Fig.2) che, attraverso il piano di riscontro, viene esercitata sul foglio ; in seguito si vulcanizza tutto in autoclave , e si estrae il mandrino.
Fig.1 - vista di profilo dell'avvolgimento del prepreg sul mandrino
Edited by cicalone - 6/7/2005, 15:25. -
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Sembra relativamente semplice, ma non lo è in quanto si gioca principalmente sui metodi di avvolgimento e sugli spessori dei fogli in prepreg, per ottenere fusti dalle caratteristiche di leggerezza e rigidità desiderate.
Innanzi tutto non viene avvolto un solo foglio ma più d'uno. Quando il primo è quasi completamente avvolto, il secondo viene inserito tra il mandrino e la 'coda' del primo, venendo così risucchiato. Il problema in questi casi sorge perchè nella stretta zona di sovrapposizione tra i due fogli di crea una specie di 'spina che corre lungo tutta la lunghezza del tubo: l'ispessimento potrebbe essere tale da rendere il tubo inutilizzabile.
Fig.2 - vista in prospettiva dell'avvolgimento del prepreg sul mandrino
Edited by cicalone - 6/7/2005, 15:16. -
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Una lavorazione che viene applicata ai tubi a conicità bassa o nulla (quali sono le canne da pesca), è proprio l'avvolgimento a spirale (vedi Fig.3). Nella figura in questione, intorno ad un mandrino cilindrico, viene avvolta una striscia rettangolate di prepreg, badando che tra le due volte (ovvero "tra un giro e l'altro di mandrino") vi sia una leggera sovrapposizione degli strati (zona gialla). Questo allo scopo di dare una continuità meccanica alla canna, ovvero, una volta usciti dall'autoclave i bordi della striscia si salderanno tra loro e formeranno un cilindro regolare e, se sollecitate meccanicamente, non tenderanno a comportarsi come una striscia avvolta, ma come un vero e preprio tubo.
Ovviamente è possibile ripetere l'operazione di avvolgimento a spirale con un'altra striscia di prepreg (magari nell'altro verso) fino ad ottenere con diversi strati, lo spessore voluto. Quando gli strati sono più d'uno, è essenziale calcolare accuratamente la tensione con cui viene avvolta la striscia e la pressione esercitata sul mandrino. Si intuisce, ovviamente, che lo strato superiore dovrà avere una tensione minore del precedente, per impedirne un eventuale collasoo della struttura
Fig. 3 - Avvolgimento elicoidale su mandrino cilindrico - vista dall'alto
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Ecco spiegata la finitura a spirale che comunemente presentano molti tipi di canne della nuova generazione: guardandole in controluce vediamo una spira serpentiforme che avvolge tutto il fusto: è la debole traccia dell'avvolgimento a spirale.
Nel caso in cui la conicità fosse più accentuata sarà necessario modellare opportunamente la striscia di prepreg affinchè la zona di sovrapposizione si mantenga costante sul mandrino a amno a mano che si allarga la striscia: la descrizione sembra piuttosto complicata, in realtà la cosa è intuitiva ed i calcoli banali.
Una curiosità: sono costruiti col metodo di avvolgimento a spirale, ma in fibra di vetro in matrice termoplastica, molti pali dell'illuminazione pubblica (i 'pali della luce') e tutte le paline che, nelle grandi città sostengono le antenne del sistema di tramissione DECT.
Un'intera branca dei materiali compositi è demandata allo studio ed al calcolo dei modi di avvolgimento quindi per non appesantire il discorso, demandiamo ogni ulteriore approfondimento alla bibliografia.
Con questo articolo abbiamo concluso la trattazione su come si fanno le canne da pesca: speriamo di essere stati esaustivi sull'argomento e di avervi dato un'utile carrellata sullo stato dell'arte delle lavorazioni principali.
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V Glossario
Autoclave: una grossa "pentola a pressione" dove vengono posti i materiali da trattare.
Coefficiente di dilatazione termica: è il numero (diverso per ogni sostanza) che indica di quanto di allunga o si accorcia il materiale quando si aumenta o diminuisce la temperatura.
Direzione di massima resistenza: direzione preferenziale della fibra dove si comporta al meglio.
Filament Winding: Tipo di lavorazione che consiste nell'avvolgere un certo numero di spire di fibra preimpregnata (vedi prepreg) intorno ad una dima metallica detta mandrino.
Lay-up: Processo di lavorazione che prevede l'ipilamento di diversi strati di tessuto prepreg (vedi) secondo direzioni principali diverse.
Nylon: fibra sintetica brevettata dalla DuPont nel 1936 : è considerato il polimero più diffuso nel mondo.
Prepreg: Termine inglese che definisce un tipo di fibra che, prima di essere avvolta, viene inpregnata di matrice allo stato liquido.
Polimerizzare: Processo di lavorazione (da non confodere con ripolimerizzare) che avviene generalmente in autoclave (talvolta a freddo). Serve a conferire alla matrice la forma finale dell'oggetto, nonchè elasticità e resistenza.
Ripolimerizzare: Processo naturale (e non desiderato) per cui la matrice tende a divenire più fragile e più dura: quindi più soggetta a rotture sotto sforzo.
Semilavorati: Prodotti finiti in materiale composito disponibili commercialmente in una grande varietà di forme e dimensioni.
Ultravioletti: raggi non visibili all'occhio umano emessi dal sole: raggiongono la superficie della terra anche in presenza di nubi e sono responsabili della cosiddetta "tintarella".
Wisker: Materiale composito che trae le sue caratteristiche meccaniche dalla dispersione casuale di spezzoni di fibra nella matrice: con il progredire ndella tecnologia (e della moda) è stato abbandonato.
Mandrino : utensile di metallo opportunamente sagomato, generalmente di forma cilindrica, attorno a cui vengono avvolti i fogli di prepreg.
Piano di riscontro :piano di lavoro, generalmente in pietra dura, estremamente liscio e perfettamente orizzontale.
Edited by cicalone - 6/7/2005, 15:25. -
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VI Bibliografia Essenziale
Chi volesse approfondire l'argomento consulti il volume di M. Marchetti e D. Cutolo - Tecnologie dei materiali compositi - edito dall'ESA (Roma), al capitolo "avvolgimenti non geodedici" .
Paul A. Roy (Ferro Corp.) -Tube Rolling
Per le lavorazioni, invece, si consulti il M. Marchetti e G. Felli - Tecnologie Aeronautiche - edito anche questo per i tipi dell'ESA.[/COLOR]
Edited by cicalone - 6/7/2005, 15:26.
Come sono fatte le canne da pesca ?a cura di Oscar da Bagno |
