Il telaio di una monoposto di F1 è l'elemento strutturale più complesso da realizzare per cui richiedendo più tempo viene subito commissionata la sua progettazione e costruzione.La maggior parte dei team di F1 progettano e costruiscono da sè l'intero telaio sebbene non mancano team che commissionano la realizzazione a partner esterni.
Il telaio della monoposto è costruito interamente in materiale composito cioè un materiale composto da un'anima a nido d'ape in alluminio ricoperta ai due lati da più strati di fibra di carbonio impregnati di resina epossidica che conferisce una notevole durezza al composito una volta essicata con un procedimento ad alta temperatura e pressione.Per semplificare la produzione,il telaio è realizzato in più parti denominate pannelli,essenzialmente due pannelli trasversali,uno frontale attraverso cui passano le gambe del pilota e l'altro posteriore appena dietro il sedile che contribuisce ad una migliore rigidezza torsionale,più due gusci,uno inferiore l'altro superiore su cui viene poi montata una struttura di protezione al ribaltamento (rollbar).Tutte le parti una volta ultimate vengono collegate mediante speciali adesivi.
Per realizzare le parti che compongono il telaio in fibra di carbonio,viene prima di tutto realizzato il modello in scala reale in legno o in Ureol di un componente e da questo si ricaveranno gli stampi in fibra di carbonio sui quali a sua volta verranno ricavate le parti definitive del telaio.
Affinchè il telaio resista alle sollecitazioni e possa allo stesso tempo garantire buone doti di maneggevolezza e di guida,deve essere progettato con criteri di rigidezza flessionale e torsionale.Un altro requisito fondamentale è garantire la resistenza all'urto ossia il telaio deve essere sufficientemente robusto da proteggere il pilota in caso di incidente,data l'importanza di questo requisito la FIA conduce una serie di crash-test sul telaio della monoposto una volta ultimata la costruzione.Esiste una situazione contrastante tra rigidezza e robustezza in quanto i materiali in fibra di carbonio più sono rigidi meno resistenti all'urto risultano,difronte a ciò i progettisti realizzano telai in fibra di carbonio dalla forma filante senza introdurre parti spigolose che non farebbero altro che concentrare gli sforzi e quindi rendere più fragile la struttura.Tuttavia ne consegue un ulteriore situazione di contrasto in quanto la forma del telaio deve anche rispettare i requisiti imposti dall'aerodinamica.
Il rivestimento interno ed esterno al nido d'ape in alluminio può essere composto da 5 a 7 strati in fibra di carbonio di diverso spessore ma dove sono richieste maggiore robustezza/rigidezza si possono utilizzare anche una decina di strati,inoltre orientare tutte le fibre di carbonio nella stessa direzione è un modo per concentrare gli sforzi in una direzione preferenziale oppure orientando le fibre in molteplici direzioni si riescono a disperdere gli sforzi in una vasta zona del telaio.
Il metodo di analisi computerizzata agli elementi finiti FEA (Finite Elements Analysis) è largamente impiegato per predire il comportamento e le caratteristiche degli elementi strutturali quali il telaio con elevata accuratezza in varie condizioni di carico,tutto questo garantendo allo stesso tempo una soluzione a basso peso/elevata rigidezza.Con tali metodi di calcolo il progettista può verificare velocemente varie soluzioni,ad esempio potrà verificare il contributo alla resistenza strutturale del telaio sotto l'applicazione di un ulteriore strato di fibra di carbonio in una determinata direzione,cercando sempre di minimizzare il peso.Il risultato di tutto il lavoro di progettazione è un telaio di F1 del peso di 35 kg capace di trasferire sulla pista una potenza di 750-800 CV e in grado di resistere a carichi aerodinamici di 2 tonnellate a 350 Km/h.I risultati quali sforzi e deformazioni sul telaio ottenuti col metodo FEA sono visualizzati in forma grafica attraverso zone di vario colore sul modello 3D corrispondenti a diversi valori del parametro in esame.Senza il metodo FEA la progettazione del telaio sarebbe condotta abbondando sul peso della struttura per avere ampi margini di sicurezza.
Scendendo nei dettagli,la costruzione del telaio procede ricavando le singole parti componenti il telaio stesso a partire da semilavorati,spessi 5 cm in Ureol,sagomati tramite macchine automatiche asservite da software CAM (Computer Aided Manufacturing).L'Ureol è un prodotto Ciba-Giegy con caratteristiche molto simili al legno,non si scaglia e soprattutto non risente di dilatazioni termiche,quindi conserva perfettamente forma e dimensioni.Poichè l'Ureol è fornito sottoforma di semilavorati spessi 5 cm il modello del telaio è ottenuto lavorando tante sezioni spesse 5 cm che verranno poi incollate insieme e rifinite a mano con carta vetro per eliminare le parti non perfettamente allineate o le tracce dell'utensile che si ricopierebbero sulla superficie del telaio finito.
Per evitare l'attacco chimico dovuto alle resine contenute negli strati in fibra di carbonio che verranno distesi sul modello in Ureol,quest'ultimo è ricoperto da uno strato di vernice epossidica che dopo una successiva essicazione a temperatura prestabilita è sottoposto a trattamento di finitura con carta vetro ultra-fine.Terminate le lavorazioni di finitura il modello del telaio della monoposto viene sistemato su un tavolo robusto e rigidamente collegato al suolo,qui un'apparecchiatura digitalizzatrice 3D scansiona tutta la superficie del modello ossia legge le coordinate di tutti i punti della superficie e le confronta con le coordinate del modello 3D del telaio realizzato al CAD.Le forme dalle quali vengono ottenute le parti costituenti il telaio,cioè i semigusci superiori ed inferiori,sono realizzate stendendo vari strati di fibra di carbonio sulla superficie dei rispettivi modelli in Ureol,la scelta di costruire le forme in fibra di carbonio è dovuta alla capacità di questo materiale di ritenere forma e dimensioni quando queste vengono utilizzate durante la costruzione del telaio il cui ciclo di costruzione consiste nel distendere vari strati di fibra di carbonio e di sottoporli poi a temperature e pressioni elevate.Seppure le forme siano costruite con gli stessi procedimenti riguardanti la costruzione del telaio,non avendo queste forti requisiti strutturali,si utilizza in genere un solo strato di fibra di carbonio senza l'anima in nido d'ape d'alluminio.Prima di utilizzare le forme per la costruzione del telaio,queste vengono trattate con una soluzione a base di acetone per rimuovere qualunque agente contaminante,dopo questo trattamento prima di collocare il primo strato di fibra di carbonio vengono posizionati dei blocchetti che rappresentano il negativo dei fori di passaggio dei bracci delle sospensioni,stendendo i vari strati di fibra di carbonio intorno ad essi si ottengono fori ed aperture lungo il telaio.
Il procedimento di stesura degli strati in fibra di carbonio è lungo e meticoloso ed è importante rispettare il corretto orientamento delle fibre come richiesto dal progettista al fine di garantire le prestazioni di resistenza strutturale.Per evitare che gli strati formino degli avvallamenti questi vengono riscaldati dal getto d'aria calda emesso da un phon,in questo modo la resina presente negli strati rende il materiale più aderente e malleabile nei punti più difficili della forma quali le zone con ampi raggi di curvatura.Durante la stesura degli strati il costruttore si serve di spatole e strumenti di taglio per sagomare gli strati intorno alle parti che costituiranno le aperture e recessi nel telaio.
Una volta terminata la stesura dei vari strati in fibra di carbonio nella forma,il tutto viene inserito in un speciale sacco di nylon nel quale verrà praticato il vuoto dentro una autoclave,qui l'azione contemporanea della temperatura,che liquefa la resina presente negli strati e la pressione elevata (100 psi), determina una stuttura solida e robusta.Queste stesse operazioni vengono condotte anche per lo strato interno in fibra di carbonio,una volta terminata la realizzazione dei due gusci interno ed esterno tra di essi verrà collocato lo strato a nido d'ape d'alluminio,questi tre strati messi insieme verranno alla fine sottoposti ad un ciclo finale di temperatura e pressione in autoclave.
Lo strato a nido d'ape d'alluminio ha uno spessore imposto dalle sollecitazioni che agiscono in quella zona del telaio come calcolato dal telaista,inoltre questo strato deve essere sagomato perfettamente alla superficie costituente gli strati interno/esterno del telaio in fibra di carbonio e viene fissato mediante uno strato di resina.
Nei punti del telaio ove sono stati ricavati i fori di passaggio per l'attacco dei bracci delle sospensioni o i punti di aggancio delle cinture di sicurezza del pilota vengono posti degli inserti di rinforzo in alluminio o in resina ad alta densità (Tufnol).
Le uniche parti amovibili del telaio sono il musetto e un pannello che copre la zona d'accesso al vano sospensioni,di questi solo il musetto è realizzato con l'anima in nido d'ape d'alluminio.
La lavorazione del telaio termina con la finitura dei fori nei punti di attacco o di passaggio dei bracci delle sospensioni (quelle posteriori sono vincolate alla scatola del cambio),del musetto,dei deviatori di flusso laterali,dei canali di afflusso ai radiatori,dei punti di attacco del motore e del fondo piatto scalinato.
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