La résine est le héros méconnu qui maintient votre cadre en carbone ensemble, et c'est tout aussi crucial pour la performance
Demandez à la plupart des roadies de quoi est fait leur cadre de vélo et la réponse sera probablement « carbone ». Demandez à toute personne impliquée dans la fabrication de cadres de vélo (ou d'autres produits fabriqués à partir de ce matériau tissé merveilleux) et vous obtiendrez une réponse plus complexe.
« Dans l'industrie du vélo, nous entendons généralement parler de carbone, mais c'est vraiment trop simpliste - une généralisation », déclare Thomas Leschik, responsable de l'ingénierie chez le fabricant allemand de roues Lightweight. « Il s'agit en fait d'une matrice de fibres de carbone et de résine époxy. Le terme plus précis est CFRP - plastique renforcé de fibres de carbone.'
Donc, nos coursiers très convoités ne sont guère plus que des vélos en plastique renforcés. C'est une simple abréviation qui explique en grande partie l'importance des résines - qui sont la partie plastique (ou polymère) du CFRP. Essentiellement, la résine confère au matériau composite sa rigidité. Comme le dit Phil Dempsey d'Aprire, une entreprise spécialisée dans les vélos en fibre de carbone, « la fibre de carbone est purement un tissu. Seul, ce n'est qu'un bout de tissu.'
Quand il s'agit de descriptions de produits et du baratin marketing qui l'accompagne, la marque ou le type de fibre de carbone (par exemple, Toray, T800, 65HM1K, module ultra élevé) est régulièrement présentée comme la caractéristique fondamentale des caractéristiques du produit fini. C'est comme s'il n'y avait rien d'autre en jeu, mais en fait, les fibres constituent un peu plus de la moitié du matériau du cadre. Le reste est la résine époxy, qui doit clairement jouer un rôle important dans la performance d'un vélo moderne. Pourquoi, alors, le texte de présentation marketing le mentionne-t-il rarement ?
L'ABC du CFRP
| CFRP |
Plastique renforcé de fibre de carbone (ou polymère). Le matériau composite visé à comme carbone ou fibre de carbone. |
| Guérison |
Le processus d'application de chaleur et souvent de pression sur une structure en PRFC pour "régler" le résine et donner de la rigidité à la pièce finie. |
| Fibres | Brins de carbone qui sont tissés ou tricotés ensemble pour créer l'élément de renforcement d'une structure CFRP. Souvent appelés "filaments". |
| Moule | Le composant physique dans et autour duquel les feuilles de fibre de carbone sont posées pour créer le cadre. |
| Ply book | Essentiellement un livre de patrons de couture glorifiés. Ceux-ci détaillent comment chaque morceau de fibre de carbone est coupé et assemblé, et ce sont les secrets les mieux gardés. |
| Pre-preg | Feuilles de fils de fibre de carbone imprégnées de résine crue. |
| Résine | Un polymère liquide utilisé pour lier les fibres ensemble dans une structure CFRP. |
Connaissance d'initié
Pour comprendre le rôle de la résine dans un vélo fini en fibre de carbone, nous devons comprendre le processus de fabrication et la manière dont la résine y est incorporée.
En substance, il existe deux types de construction en fibre de carbone: humide et sèche. Pour la fabrication par voie humide, une entreprise achète un tissu en fibre de carbone déjà imprégné de résine, appelé pré-imprégné. Ces feuilles collantes sont disposées dans ou autour d'un moule, puis durcies à l'aide de chaleur et de pression pour instiller de la rigidité. La technique de fabrication par infusion de résine sèche peut prendre deux formes différentes. Le premier est similaire à la façon dont la fabrication pré-imprégnée se déroule, avec des formes coupées de tissu sec posées sur un moule, avec la résine ajoutée dans le cadre du processus de durcissement. La deuxième technique, utilisée par des entreprises telles que Time et BMC (avec ses vélos Impec), consiste à étirer une structure tubulaire continue en forme de chaussette sur un moule en une seule longueur. De là, la résine est ajoutée sous pression aux formes déjà formées.
Giant est la seule marque qui fabrique tous ses propres produits pré-imprégnés en carbone, de la "bobine à la finition", c'est-à-dire qu'elle achète sa fibre de carbone sous forme de fil sur de grandes bobines, ajoute sa propre résine et fabrique ensuite ses cadres, ses barres, ses potences et ses accessoires. Giant, alors, semble être une bonne entreprise pour poser des questions sur l'importance des résines.
Son responsable produit et formation au Royaume-Uni, David Ward, déclare: « Notre filament en fibre de carbone est livré directement de Toray [le plus grand producteur mondial de fibre de carbone] à la salle de bobine. De là, il est enfilé sur les métiers à tisser et tissé dans d'énormes feuilles de tissu de carbone. C'est après le tissage que la résine est ajoutée. La résine se trouve dans un creux au-dessus de l'ensemble de rouleaux et est passée sur le tissu en mouvement, appliquée aux filaments via des rouleaux." Le processus est simple, et la technique utilisée par Giant est à peu près identique à celle utilisée par tous les fabricants de fibre de carbone pré-imprégnée. Mais bien qu'il puisse être simple dans sa mécanique, la précision, la répétabilité et le contrôle sont essentiels à l'intégrité du produit fini.
« La résine doit s'écouler entre chaque filament et l'enrober parfaitement », déclare Ward. « Une bonne répartition de la résine est essentielle pour obtenir un bon pré-imprégné à la fin d'une chaîne de production. » Dempsey chez Aprire ajoute: « Il est si important que la résine traverse les couches. Si vous vous trompez de résine, vous avez un cadre fissuré. C'est vraiment critique.'
Dans le vif du sujet
« Parce que la résine représente 40 % d'un cadre Giant après durcissement, la résine est une partie très importante », déclare Ward. « Une fois qu'elle est thermodurcie [durcie], c'est la résine qui donne de la rigidité à la structure. » En plus des propriétés structurelles de base, la résine joue un autre rôle essentiel. Dempsey dit: «Vous devez transférer les contraintes d'une partie à l'autre. Ce sont les résines qui permettent le transfert des charges entre les couches de fibres.’
Différentes résines affecteront les performances du produit final. Dempsey dit: «Si la résine est trop visqueuse, elle ne traversera pas le carbone et vous vous retrouverez avec des fibres qui se touchent. Idéalement, vous voulez qu'ils soient minutieusement séparés.'
Ensuite, il y a la question de la compressibilité, qui affecte l'épaisseur des structures en carbone. "Différents additifs dans la résine affecteront la compressibilité", explique Dempsey.« Vous pouvez obtenir une épaisseur de couche différente en fonction des caractéristiques de la résine. Généralement, les résines moins chères seront plus épaisses. Avec une bonne résine, les fibres de carbone peuvent être distantes de quelques microns. Cela vous donne des parois plus minces pour les mêmes qualités de résistance, ce qui signifie un cadre plus léger. Une résine moins chère laisse plus de matière entre les fibres et les couches.’
Comme Giant fabrique entièrement en interne, il a pu développer ses propres résines. Ward déclare: « Nous en sommes maintenant à notre troisième génération de développement de résine. Les petits détails du processus de moulage et de durcissement dépendent tous des propriétés de la résine - la température à laquelle elle se déclenche et le temps que prend le durcissement. En raison de la large gamme de prix de ses produits en carbone, Giant utilise deux types de résine. « Notre résine standard est utilisée sur toutes les gammes de produits, à l'exception des produits Advanced SL », explique Ward. « Pour l'Advanced SL, nous utilisons un additif nanotechnologique. Les nanoparticules augmentent la résistance aux chocs de nos cadres de 18 % sans effet négatif sur la rigidité ou le poids. Ils coûtent cependant beaucoup plus cher. '
Un sous-produit supplémentaire des particules est l'amélioration du compactage des parois pendant le durcissement. « Les nanoparticules permettent à la résine de remplir les microvides du lay-up. En fait, la résine coule mieux, ce qui réduit le potentiel de vides et l'épaisseur des parois », ajoute Ward.
Le rôle d'une résine dans la réduction des vides est un point clé de l'intégrité structurelle d'un cadre, comme l'explique Dempsey. "Les vides dans la résine sont des trous qui recueillent le stress", dit-il. «Ce sont potentiellement des points de défaillance, et les vides échouent en explosant lorsque les couches se délaminent. Vous pouvez toujours obtenir un délaminage sans vides, mais vous voulez viser un minimum de poches d'air dans le composite.'
En plus du transfert de charge, de l'épaisseur des parois et de la robustesse, les résines peuvent avoir un effet sur la conduite du vélo. Dempsey dit: « D'un point de vue simple, vous pouvez considérer les résines comme un produit de style Araldite à deux composants avec une résine et un durcisseur. La quantité de durcisseur utilisée avec une résine donnée peut avoir un effet substantiel sur la qualité de conduite. Pour un bon cadre de vélo, vous avez besoin d'un peu de flexion dans une résine durcie pour permettre le transfert des contraintes entre les couches de fibre de carbone. Vous pouvez obtenir cela en utilisant une résine plus forte avec moins de durcisseur. Les concepteurs intelligents peuvent obtenir une structure plus rigide ou plus conforme pour un poids donné. Vous ne pouvez pas compter sur une résine pour la rigidité mais, en tant qu'ingénieur, vous devez être conscient des propriétés potentielles que la résine peut ajouter à une structure finie.'
Les résines sont clairement importantes pour la qualité du cadre fini, nous revenons donc à la question de savoir pourquoi nous en entendons si peu parler.
« La résine est une solution, pas un moteur de fonctionnalité », déclare Dempsey. «La résine nous permet de lier les différentes couches de fibre de carbone ensemble - par exemple T700 à T800 - pour utiliser les différentes propriétés que les fibres nous présentent. C'est difficile à vendre et très difficile à faire tourner, mais le rôle qu'ils jouent ne doit pas être sous-estimé. '
Giant's David Ward le dit plus succinctement: Les résines ne sont qu'une colle. Ils ne sont tout simplement pas sexy. '
Chaleur du moment
Étant donné que la plupart des fabricants de vélos utilisent du carbone pré-imprégné, leurs choix sont limités en termes d'utilisation de résine pour affecter les performances d'un cadre. Mais cela n'empêche pas les gens de chercher de nouvelles directions ou de pousser les entreprises de résine et de pré-imprégnés à produire différents produits.
Dempsey dit: "Nous travaillons pour que nos partenaires produisent une résine qui ne s'efface pas à température ambiante". Un facteur limitant avec la conception est que dès que vous sortez le pré-imprégné de son entrepôt frigorifique, il commence à durcir à l'air. Il ne deviendra jamais complètement dur à l'extérieur du four de durcissement, mais il "s'éteindra". Un pré-imprégné qui nous permettrait d'utiliser un processus de lay-up plus complexe et de développer notre livre de plis [voir glossaire, à gauche] au niveau que nous voulons, nous permettrait d'obtenir beaucoup plus de notre résultat final. Ce serait génial pour nous.'
Un domaine où les résines jouent un rôle énorme est la fabrication de roues en carbone. Ici, les résines sont essentielles, non seulement pour l'intégrité structurelle et la rigidité de la roue, mais également pour les performances de freinage.
Leschik de Lightweight dit: « Le point le plus faible d'une résine est son comportement thermique. La plupart des résines ont des problèmes au-dessus de 150°C. Au cours des 10 dernières années, nous avons multiplié par trois la résistance à la température de nos résines.'
Presque tous les cyclistes ont entendu une histoire d'horreur à propos d'une roue en carbone défaillante lors d'une longue descente en raison d'une accumulation de chaleur, mais que se passe-t-il réellement lorsque la plaquette de frein rencontre la jante ? Leschik dit: « La tribologie est la science et l'ingénierie des surfaces en interaction en mouvement relatif. Il comprend l'étude et l'application des principes de frottement, de lubrification et d'usure. Le freinage sur une jante CFRP avec des patins de frein en caoutchouc dans des conditions humides ou sèches est l'un de ces systèmes tribologiques. L'optimisation de ce système pour de bonnes performances de freinage n'est pas possible sans des résines résistantes aux hautes températures.'
Comme pour les performances du cadre, ce sont les additifs dans les résines qui ajoutent à la résistance à la chaleur et au prix. L'un de ces additifs est une céramique - la silice. Bien qu'Aprire ne fabrique pas de roues, Dempsey comprend le processus: « Les résines font une énorme différence dans une structure de jante en carbone. Par exemple, l'ajout de silice évacue une quantité substantielle de chaleur du corps de la structure et permet au flux d'air de refroidir la jante bien mieux qu'avec une jante en PRFC standard. Le cuivre serait un excellent additif car il a la capacité d'attirer d'énormes quantités de chaleur, mais il est possible que le soufre s'infiltre dans la résine si l'humidité pénètre par des microfissures. Cela conduirait à un délaminage presque certain. Les dissipateurs de chaleur - des mailles dans la résine - ont un grand potentiel. Cette technologie pourrait bien venir.’
Leschik de Lightweight a également une grande confiance dans les développements de résine: « Nous examinons l'optimisation des jantes de freinage sur jante. Avec les résines intelligentes, nous sommes certains de pouvoir offrir au cycliste les mêmes performances de freinage que les disques sans un seul gramme de poids supplémentaire.'
La dure vérité
Il est clair que la résine est un héros méconnu du processus de construction de vélos. Cela peut affecter la rigidité, la robustesse, le poids, la sécurité et le prix des produits en fibre de carbone, alors pouvons-nous nous attendre à ce que les fabricants commencent à se vanter des merveilles de leurs produits collants ? Probablement pas, car ce n'est encore qu'une partie d'un système complexe. Une résine de grande qualité ne compensera pas une fibre de carbone de mauvaise qualité ou des techniques de construction sans inspiration. Comme le dit Leschik de Lightweight, "C'est la même chose à chaque fois: pour cuisiner un bon gâteau, il faut les bons ingrédients dans le bon rapport, bien fait."
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