BICI IN TITANIO: tra presente e futuro

Le prime idee di realizzare una bici in titanio nacquero nel corso degli anni ’70 quando, in parallelo, già si effettuavano i primi esperimenti – fruttuosi – con l’alluminio, materiale più economico,  facile da reperire che richiede un numero minore di lavorazioni.

Sono trascorsi diversi decenni da quei tentativi immaturi e le bici in titanio sono divenute realtà, ma che caratteristiche ha un mezzo di questo genere? Si può viaggiare con una bici in titanio o è meglio scegliere un’altra tipologia di materiale? In questo articolo cercheremo di confrontare le peculiarità dell’elemento Ti con quelle di acciaio e alluminio e rispondere a tutti i dubbi e curiosità sul titanio.

Storia del Titanio, figlio del Cielo e della Terra

Il titanio è l’elemento atomico numero 22 e si identifica con la sigla Ti. Secondo la mitologia greca Titano, il dodicesimo figlio di Gea e Urano, è una delle divinità più antiche, forgiato dall’unione del Cielo e della Terra. Tralasciando gli affascinanti miti greci, che comunque attribuiscono al protagonista di questo articolo un’aura quasi magica, il titanio, materiale nobile dalla tonalità bianca metallica, è piuttosto duttile in natura e le sue leghe sono difficoltose da lavorare, proprio come nel caso dell’acciaio inossidabile. Resistente alle sollecitazioni, elastico e decisamente più leggero dell’acciaio, il titanio ha già trovato una sua piccola nicchia di addicted nel mercato delle bici. Vedremo se, nei prossimi anni, con l’avvento di nuove tecnologie di lavorazione riuscirà a conquistarsi un pubblico di ciclisti più esteso.

Il metodo Kroll

Nel 1932 il lussemburghese Kroll ebbe l’intuizione di combinare il tetracloruro di titanio con il calcio dando vita a una discreta quantità di titanio duttile. Negli anni il chimico migliorò il proprio metodo sostituendo il magnesio al calcio. Oggi alla base della lavorazione – ancora ahimè molto cara – del titanio si continua a seguire il metodo Kroll.

Una curiosità riguardo questo materiale dalle potenzialità enormi è legata al suo primo utilizzo. Il grande costo non permise subito la diffusione del titanio che rimase per anni un elemento per pochi eletti e facoltosi privilegiati tra cui l’esercito americano. Nell’Area 51 fu sviluppato un velivolo realizzato per il 93% con tre differenti leghe del titanio: l’SR-71, soprannominato anche Blackbird. Il rivestimento in titanio permise all’aereo di resistere ai forti stress termici, di raggiungere il record di velocità con pilota a bordo di 3530 km/h e quello di quota (quasi 26000 m).

Che differenza c’è tra l’acciaio e il titanio?

Perché dovrei scegliere una tra le biciclette in titanio che offre il mercato quando posso avere un mezzo in acciaio? Entrambi sono due materiali con qualità ottimali per una bici da viaggio, ma quali sono le principali differenze tra titanio e acciaio? Per rispondere a queste domande è senza dubbio necessario conoscere la lega di titanio e quella d’acciaio che vogliamo confrontare. Detto questo, in linea generale, il titanio è un materiale più leggero dell’acciaio inox di circa il 40%, ha una maggiore resistenza alla corrosione e non soccombe ai forti stress termici. Di sicuro il titanio è uno dei materiali più versatili anche se, ora come ora, i costi di produzione sono ancora elevati e quindi non risulta ancora così diffuso come però potrà probabilmente essere in futuro.

Che differenza c’è tra titanio e alluminio?

Come fra l’acciaio e il titanio, anche tra quest’ultimo e l’alluminio esistono sostanziali diversità. Una bici in titanio sarà più pesante, ma decisamente più resistente di una in alluminio. La densità di questo materiale è più elevata di quella dell’alluminio – ad oggi probabilmente il materiale più utilizzato per produrre telai da bici – ma inferiore a quella dell’acciaio e quindi risulta decisamente malleabile. L’alluminio subisce l’usura strutturale dovuta al passare degli anni ed è difficile da riparare in caso di danneggiamento o rottura. Un telaio titanio invece ha una vita molto più longeva… perché, se fabbricato bene, risulta indistruttibile.

Che differenza c’è tra titanio e fibra di carbonio?

Il carbonio è un materiale leggero che ormai è entrato a gamba tesa nel mondo del ciclismo, ma anche in quello del viaggio in bici, delle competizioni e dei trail. Leggero, rigido e profondamente versatile, il carbonio è sicuramente un prodotto formidabile per realizzare una bicicletta, ma… c’è un ma! Il carbonio è un elemento molto più fragile di alluminio, acciaio e titanio. Se su una bici titanio un colpo può lasciare indenne il telaio, su quello in fibra di carbonio può essere fatale. Questo dipende ovviamente dal punto che ha subito la battuta, ma anche dalla fabbricazione e dall’intensità delle fibre utilizzate. Il titanio è ancora più costoso del carbonio per via del processo di saldatura dei tubi, ma grazie alle pregevoli qualità e all’estremo comfort dato dalla combinazione di rigidità e leggerezza, quando il problema del prezzo troverà una soluzione, questo materiale riuscirà per certo a raggiungere il grande pubblico dei pedalatori.

Quanto dura un telaio in titanio?

Come anticipato i telai in titanio hanno praticamente una vita infinita se sono stati realizzati con criterio. Ecco perché anche ora acquistare una bici in titanio – o una gravel titanio – è un ottimo investimento che sempre più appassionati fanno volentieri.

Ricapitolando le peculiarità di una bicicletta in titanio

Perché dovrei scegliere una delle biciclette titanio in commercio?

• è mediamente leggero
• è resistente alla corrosione
• è resistente alla fatica
• è versatile
• è comodo
• è per sempre

Come pulire la bici in titanio?

Come dicevamo il titanio è un materiale resistente e estremamente duraturo. Dopo un’uscita – anche se hai una bicicletta da corsa in titanio – per pulire il tuo telaio bici titanio basterà utilizzare un detergente neutro e un panno morbido, sciacquare con acqua corrente e asciugarlo bene. Semplice, ma efficace!

Telai bici titanio: costruisci la bici che vuoi

Invece che scegliere una bici in titanio completa puoi partire da uno dei telai bici in titanio e dar vita al mezzo che hai sempre voluto, con i componenti che preferisci. Questo discorso non vale solamente per realizzare una bici da corsa titanio. Vale anche per qualsiasi altra tipologia di velocipede, tra le quali anche le bici da viaggio o avventura come ti raccontiamo in parte qui sotto.

Alcune biciclette in titanio da viaggio

Negli ultimi anni, nel mondo delle bici da cicloturismo, oltre all’intramontabile e più accessibile (per i costi!) acciaio, si è ricavato una piccola nicchia anche il titanio.Sopeattutto tra chi cerca una bici da sogno definitiva. Alcuni brand hanno quindi lanciato alcuni modelli realizzati con il pregiato elemento.

Salsa Fargo Ti

Direttamente da oltreoceano, uno dei brand più apprezzati tra i cicloviaggiatori ha proposto il telaio in titanio della sua popolare Fargo: la Fargo Ti. Difficile da trovare, è una gemma preziosa da allestire come si desidera per vivere avventure indimenticabili.

Locomotive Aerowagon

Anche l’italiana Locomotive è uscita con un modello di gravel in titanio chiamato Aerowagon. Con forcella in carbonio, puoi partire dal frameset (S,M,L,XL) e creare la tua gravel performance a seconda dei tuoi progetti di utilizzo.

Chiru Vagus, Kegeti, Fukai, Divider, Alpin

Chiru, giovane brand francese, ha attuato una politica innovativa e lungimirante: ha infatti scelto di realizzare tutta la gamma di bici in titanio. Dai modelli più veloci e performanti come la Vagus e la Kegeti, ai mezzi da esplorazione come la Divider (anche in versione pinion) e la Fukai.

Bombtrack Beyond e Hook EXT

Bombtrack non è rimasta indietro rispetto ai suoi competitor e ha creato due prodotti in titanio davvero apprezzati: la Beyond Titanium e la Hook EXT Titanium. La prima bicicletta titanio è la più gravel tra le monster cross e puoi farci anche viaggi impegnativi e con carico pesante, mentre la Hook è una gravel per viaggi leggeri super avventurosa, strizza l’occhiolino allo sterrato.

Sei curioso di saperne di più su questo incredibile materiale? Allora continua a leggere!

Le classificazioni del titanio 3-2,5

Nell’ambiente ciclistico vengono usate tre diverse classificazioni per il titanio 3-2,5:

• 3-2,5 AMS 105

Si tratta dello stesso materiale utilizzato dall’industria aerospaziale e, proprio per questo, la tipologia di titanio in questione deve rispettare le specifiche AMS (Aerospace Material Specifications). In teoria acquistare tubazioni AMS 105 direttamente dal produttore dovrebbe permettere al progettista una scelta illimitata per diametro e spessore del tubo. In realtà le quantità minime da ordinare sono così elevate e i tempi di attesa cosi lunghi che solo i maggiori produttori possono permetterselo.

Può capitare che gli acquirenti dei tubi 3-2,5 AMS a volte migliorino le specifiche base AMS per le proprie tubazioni. Ad esempio il brand Merlin utilizza le MTS che variano rispetto allo standard AMS per un superiore carico di rottura e un più alto limite di snervamento. Ma anche per una migliore rettilineità dei tubi e per una finitura superficiale interna ed esterna più accurata.

•  3-2,5 ‘Sport Grade’

I tubi 3-2,5 ‘Sport Grade’ sono meno costosi perché vengono sottoposti a meno fasi di lavorazione. Questo risparmio ha avuto finora l’effetto di diminuire la formabilità del materiale e la qualità della finitura superficiale, sia interna che esterna.

• 3-2,5 ‘Scrap’

Si tratta di titanio 3-2,5 che non ha superato la certificazione AMS o la ‘Sport Grade’, oppure di sovrapproduzioni. Uno dei problemi del titanio 3-2,5 ‘Scrap’ è che non esiste alcuna garanzia della qualità del materiale e quindi non è possibile determinare la presenza di anomalie nelle tubazioni.

Come la lavorazione incide sul titanio 3-2,5

La lavorazione ha grande influenza sulla qualità del titanio 3-2,5. Le specifiche AMS aiutano molto a definire la qualità di una produzione, ma alcuni elementi che influenzano il risultato finale non possono essere verificati con la classificazione AMS. Esistono tre produttori di Titanio 3-2,5 AMS negli Stati Uniti e ognuno di questi produce le tubazioni con una tecnica diversa. Queste differenze di lavorazione creano risultati diversi nella qualità delle tubazioni 3-2,5 AMS disponibili.

La tecnica di lavorazione incide in modo particolare su tre elementi:

•  L’orientamento delle molecole

L’orientamento delle molecole di titanio, chiamato anche ‘trama’, ha importanti effetti sulle proprietà delle tubazioni e può essere controllato con la tecnica di lavorazione del tubo.
Esiste una misurazione, denominata CSR (rapporto di sforzo contrattile) che mette in evidenza l’orientamento delle molecole.

La resistenza alla fatica raggiunge i valori migliori all’interno di una finestra molto piccola. Ad esempio le tubazioni Merlin MTS325 sono costruite tenendo in considerazione questo fenomeno così da garantire le migliori caratteristiche di resistenza e flessione.

Un valore basso di CSR, per esempio 0,3, denota un orientamento delle molecole tangenziale mentre un rapporto elevato, per esempio 1,8 significa che le molecole sono disposte nella tubazione in modo radiale.

Un CSR compreso tra 1,7 e 1,9 garantisce la maggiore resistenza alla fatica possibile e permette di mantenere ottime caratteristiche di flessione. Una disposizione radiale delle molecole ancora più spinta, per esempio 2,1, migliora ancora di più le caratteristiche di flessibilità, ma a discapito della resistenza alla fatica visto che questa cala velocemente se il CSR supera il valore di 2,0.

Per ottenere i migliori risultati è necessario tenere costantemente sotto controllo l’orientamento delle molecole di titanio durante la produzione dei tubi.

Il diametro delle tubazioni e il loro spessore sono spesso ridotti contemporaneamente, ma non sempre mantenendo la stessa proporzione ed é proprio il rapporto tra diametro del tubo e il suo spessore a determinare l’orientamento delle molecole.

Riduzioni dello spessore favoriscono una disposizione radiale delle molecole mentre riduzioni del diametro ne favoriscono una disposizione tangenziale.

La trama del tubo può subire effetti negativi da lavorazioni a freddo se effettuate dopo aver terminato i trattamenti di stabilizzazione svolti in fabbrica. Per esempio effettuare lavorazioni per diminuire lo spessore delle pareti dopo che il tubo ha subito l’ultimo trattamento a freddo e il rinvenimento in fabbrica (CWSR) ruota le molecole in senso tangenziale diminuendo il CSR.

Processi di riduzione come questi sono spesso usati per ridurre lo spessore dei tubi del triangolo principale o dei foderi posteriori diminuendone così il ciclo di vita delle tubazioni.

• Finitura superficiale

La finitura superficiale, sia interna che esterna, di una tubazione è il risultato della tecnica di lavorazione. Il titanio tende a propagare le rotture e le piccole crepe più velocemente dell’acciaio. Per questo motivo una finitura perfetta permette di allungare la vita della tubazione. Normalmente lo spessore delle tubazioni è cosi basso che si formano degli stress tra la faccia interna del tubo e quella esterna.

Questi stress sono in grado di provocare micro fratture che con il tempo portano al collasso del tubo. La finitura delle due pareti deve essere perciò il più regolare possibile per gestire al meglio le tensioni tra l’interno e l’esterno della tubazione. Se la faccia interna del tubo é molto più ruvida di quella esterna si possono anche formare delle rotture che partono dall’interno del tubo.

•  Imprecisioni di lavorazione

Ogni difetto nella finitura o nella struttura chimica del materiale può avere effetto sulla durata della tubazione. L’unico modo per ridurre questi problemi é quello di applicare un controllo di qualità estremamente rigoroso durante la fabbricazione del tubo.

Ognuno dei tre fattori sopra citati (o una combinazione di essi) può avere importanti effetti sulla qualità della tubazione e di conseguenza su quella del telaio finito.

Elasticità, Flessibilità e Fatica

Storicamente i telai in titanio hanno avuto un comportamento più elastico dei telai in acciaio o in alluminio.  Questo ha dato al titanio una reputazione di maggiore flessibilità rispetto agli altri materiali.

In realtà la flessibilità di un materiale è misurata sulla base del suo modulo per unità di massa.

Se si guarda il modulo dei tre materiali più comuni (acciaio, alluminio e titanio) ci si rende conto che la rigidità dei materiali rispetto al loro peso è simile. Il modulo dell’acciaio è più alto di quello del titanio di solo il 10%.

Questo significa che un tubo in titanio dello stesso diametro e dello stesso peso di un tubo in acciaio o in alluminio ha una rigidità simile.

Ovviamente nessuno costruisce telai solo su questo principio perché oltre alla rigidità bisogna tenere in considerazione anche la resistenza alla fatica.

La resistenza alla fatica può essere considerata a grandi linee come il numero di cicli a un determinato livello di stress che un materiale può sopportare prima di cedere.

Resistenza vs Peso

Su questa base il titanio ha una resistenza eccezionale alla fatica. Cosi può sopportare molti più cicli di flessione senza danneggiarsi rispetto all’acciaio o all’alluminio.

I telai costruiti con metalli dotati di una bassa resistenza alla fatica devono essere progettati in modo da flettere poco perché diversamente si romperebbero molto presto.

Ecco perché i telai in alluminio sono sovente più rigidi di quelli in acciaio: la resistenza alla fatica dell’alluminio è così bassa che se il telaio fosse progettato per essere elastico come un telaio in acciaio rischierebbe di durare poco.

La ragione della fama di materiale rigido dell’alluminio non è dovuta perciò al fatto che il materiale è più rigido dell’acciaio o del titanio, ma al fatto che i telai sono progettati rigidi per poter durare nel tempo.

Proviamo a semplificare

Per semplificare il concetto prendete due telai in alluminio, uno molto flessibile e un altro molto rigido.

Considerando che tutte le variabili siano uguali (peso del ciclista, terreno, geometria del telaio, qualità di saldatura e lavorazione) il telaio flessibile si romperà prima del telaio rigido.

La durata del telaio è in funzione dei cicli di stress che questo deve superare. Più il telaio è flessibile e più dannosi sono questi cicli di stress. Infatti più ampia è la flessione e più questa incide sulla vita del telaio.

L’acciaio ha una resistenza alla fatica molto più alta dell’alluminio, per questa ragione é possibile fare con più tranquillità telai elastici. L’acciaio però é due volte più denso del titanio e perciò risulta difficile mettere a punto la rigidità del telaio senza incorrere nel problema del peso.

Per vederla da un altro punto di vista, dato che il titanio ha una densità che é solo la meta di quella dell’acciaio, é possibile usarne di più per variare lo spessore e il diametro dei tubi. Questo permetterà di creare un telaio che a pari rigidità sia più leggero oppure un altro che a parità di peso e di rigidità possa durare il doppio.

Nulla vieta infine di costruire a parità di peso un telaio in titanio più rigido di uno in acciaio.

In conclusione

Il nocciolo della questione non é l’elasticità, ma come il progettista sa sfruttare le caratteristiche di resistenza alla fatica del materiale.
Se il rapporto tra modulo e densità è praticamente lo stesso per acciaio, alluminio e titanio, lo spessore e il diametro dei
tubi permessi da un materiale piuttosto che dall’altro possono avere profondi effetti sulle prestazioni del telaio.
Questi concetti sono d’altronde molto semplificati e ci sono molti fattori al di là della scelta del materiale che influenzano la resistenza alla fatica.

Sezioni a spessore variabile, finitura superficiale, qualità di saldatura, geometria del telaio, scelta dei componenti e perfino lo stile di guida del ciclista. Tutti questi elementi combinati determinano la vita media di un telaio.