Les fabricants adorent se vanter de la couche de fibre de carbone, alors Cyclist a décidé d'étudier ce que cela signifie et comment cela affecte les performances
Un vélo, cela va sans dire, est le meilleur cadeau de Noël de tous les temps, mais à l'exception peut-être d'un chiot, c'est aussi le plus difficile à emballer. Alors, plaignez le pauvre concepteur de cadre qui doit envelopper et draper le carbone autour de ses courbes complexes de sorte que, une fois cuit et fini, le cadre offre la sensation de conduite souhaitée. La construction d'un cadre en fibre de carbone est un puzzle 3D complexe qui éclipse le Rubik's Cube.
La beauté du carbone est que, contrairement au métal, plusieurs pièces peuvent être superposées à divers degrés d'intersection et de chevauchement pour donner un contrôle très strict sur les attributs de performance et la résistance requise à n'importe quel point donné d'un cadre de vélo. L'inconvénient est que le carbone est anisotrope - il est plus résistant dans une direction que dans une autre, de la même manière que le bois - ce qui signifie que la résistance dépend de la direction des fibres. Pour que le carbone supporte des charges importantes, les forces doivent être dirigées le long de ses fibres, ce qui rend la direction des fibres absolument cruciale. Les sections constitutives d'un cadre de vélo subissent des forces dans plusieurs directions, ce qui signifie que les fibres de carbone doivent également fonctionner dans plusieurs directions. C'est pourquoi différentes couches ont leurs fibres à différents angles, généralement 0° (en ligne), +45°, -45°, +90° et -90°, et en effet n'importe quel angle choisi par les concepteurs s'il créera les attributs souhaités.
Dans les profondeurs
C'est comme ça pour tous les cadres en carbone. Sous les extérieurs brillants se trouvent de nombreuses couches de pièces en fibre de carbone dont les rigidités, les résistances, les formes, les tailles, les positions et les orientations ont été minutieusement planifiées, généralement par une combinaison de progiciels informatiques et de l'expertise des ingénieurs. C'est ce qu'on appelle le calendrier de lay-up, ou simplement le lay-up. Une fois le puzzle en carbone terminé, le vélo doit être léger, réactif, économique et capable de supporter les forces les plus extrêmes du cyclisme.
Le professeur Dan Adams, directeur du laboratoire de mécanique des composites à l'Université de l'Utah à S alt Lake City, lui-même passionné de cyclisme et qui a participé au développement des premiers cadres en carbone de Trek, déclare que construire quoi que ce soit à partir de carbone est tout sur le bon calendrier de lay-up. «Il spécifie l'orientation des plis individuels ou des couches de préimprégné carbone / époxy, empilés pour former l'épaisseur finale de la pièce», dit-il. « Certaines pièces du cadre sont plus faciles à poser que d'autres. Les tubes sont relativement simples, mais les jonctions entre eux font partie des couches de plis les plus complexes que vous verrez dans les pièces de production de toutes les industries qui utilisent structurellement le carbone, y compris l'aérospatiale et l'automobile.
La nature anisotrope du carbone rend également crucial le choix du bon carbone. Dans sa forme la plus simple, il existe deux façons de fournir du carbone. Unidirectionnel (UD) a toutes les fibres de carbone fonctionnant dans une direction, parallèles les unes aux autres. L' alternative à l'UD est un tissu tissé, ou "tissu". Il a des fibres qui courent dans deux directions, passant l'une sous l'autre à angle droit pour donner l'aspect classique de la fibre de carbone. Dans le tissu le plus simple, connu sous le nom de tissage uni, les fibres se lient en dessous et au-dessus à chaque croisement (appelé « 1/1 ») pour produire un motif en forme de grille. Il existe de nombreux autres motifs de tissage possibles. Le sergé (2/2) est un peu plus ample donc plus facile à draper et facilement reconnaissable à son motif diagonal qui ressemble à des chevrons.
Le module (une mesure de l'élasticité) de la fibre est également fondamental pour un lay-up donné. Le module définit la rigidité d'une fibre. Une fibre de module standard, évaluée à 265 gigapascals (GPa) est moins rigide qu'une fibre de module intermédiaire évaluée à 320 GPa. Moins de carbone à module plus élevé est nécessaire pour fabriquer des composants de la même rigidité, ce qui se traduit par un produit plus léger. Les fibres à module plus élevé peuvent donc sembler être le choix préférable, mais il y a un hic. Une analogie peut être faite avec un élastique par rapport à un morceau de spaghetti. L'élastique est très élastique (a un faible module) et peut être fléchi avec très peu de force appliquée mais ne se cassera pas, de plus il reprendra sa forme d'origine après flexion. Les spaghettis, en revanche, sont très rigides (module élevé) et résistent donc à la déformation jusqu'à un certain point, puis se cassent simplement. Les départements marketing se vantent souvent de l'inclusion d'un certain module de fibre dans la dernière conception de cadre, mais dans la plupart des cas, un cadre de vélo est un équilibre minutieux entre plusieurs types de module dans le lay-up pour offrir une combinaison souhaitable de rigidité, de durabilité et de flexibilité..
Il y a une autre variable à considérer. Un seul brin de fibre de carbone est extrêmement fin - beaucoup plus fin qu'un cheveu humain, ils sont donc regroupés pour former ce qu'on appelle un "remorquage". Pour les vélos, une remorque peut contenir n'importe quoi entre 1 000 et 12 000 brins, bien que 3 000 (écrit 3K) soit le plus courant.
Fibre ceci, fibre cela
Ce sont les bases, mais créer un lay-up devient compliqué. "Du point de vue de la résistance et de la rigidité pures, le composite idéal aurait la plus grande proportion de fibres par rapport à la résine possible et le moins de courbure dans la fibre", explique le Dr Peter Giddings, ingénieur de recherche au National Composites Centre de Bristol, qui a travaillé avec des vélos et les a courus pendant de nombreuses années. « Les fibres unidirectionnelles, du moins en théorie, sont le meilleur choix pour cela. Les matériaux UD ont un rapport rigidité/poids accru dans le sens des fibres. Malheureusement, les composites UD sont plus susceptibles d'être endommagés et, une fois endommagés, sont plus susceptibles de tomber en panne que les tissus tissés.
Construire un cadre exclusivement à partir de couches de carbone UD créerait un vélo dangereusement fragile, sans parler d'un coût prohibitif en raison des coûts des matériaux et des heures de travail. Par conséquent, le carbone tissé domine et est le choix évident pour toutes les zones où il y a des courbes serrées et des formes de joints complexes. De plus, les gens aiment son apparence. "Esthétiquement, les matériaux tissés sont considérés comme plus beaux que les matériaux unidirectionnels et la perception du public d'un composite est un tissu tissé", déclare Giddings. "En fait, de nombreux fabricants peignent [cachant] les zones où la construction du cadre empêche un aspect lisse et tissé."
La facilité de fabrication doit également être prise en compte dans un calendrier de déploiement pour tenir compte des coûts de main-d'œuvre. Pour les joints et les formes complexes, il faudra beaucoup plus de temps pour créer la couche idéale avec des fibres UD. C'est une autre raison pour laquelle les tissus tissés sont le choix préféré de la plupart des fabricants de vélos en carbone. "Le tissu tissé est plus facile à travailler que l'UD et nécessite moins de compétences pour l'adapter à une forme requise", déclare Giddings. ‘UD a tendance à se fendre ou à se plier autour de formes complexes. Les tissus à tissage lâche se conforment plus facilement et la résistance globale de la structure est moins affectée par des défauts de fabrication mineurs.'
Les fabricants sont susceptibles d'opter pour une couche de carbone tissé dans les zones les plus complexes, telles que les jonctions du boîtier de pédalier et du tube de direction, mais ce n'est toujours pas aussi simple qu'il y paraît car il y a un autre facteur à prendre en compte. "Vous voulez maintenir la continuité de l'orientation de la fibre non seulement autour des jonctions, mais à travers et au-delà", explique Paul Remy, ingénieur vélo chez Scott Sports. "Il peut y avoir des courbures complexes à une jonction telle que le boîtier de pédalier, vous devez donc penser à un moyen de continuer l'orientation des fibres, de transférer la charge à travers elles."
C'est ici que les ingénieurs du cadre tels que Remy sont reconnaissants de l'aide de l'informatique. Dans le passé, la seule façon de savoir comment les diverses modifications du calendrier de lay-up pouvaient affecter le résultat final était de construire et de tester plusieurs prototypes, mais maintenant un calendrier de lay-up peut être testé avec un très haut degré de précision par des ordinateurs avant un un seul brin de fibre a atterri dans un moule de cadre.
« Auparavant, il était vraiment difficile de savoir quel effet le changement d'une seule partie du lay-up aurait sur les performances du cadre », explique Remy.
Bob Parlee, fondateur de Parlee Cycles, basé au Massachusetts, se souvient de l'époque où les ordinateurs ne faisaient pas tous les calculs plutôt affectueusement: «Si vous comprenez les charges sur une structure en treillis telle qu'un cadre, les lay-ups sont simples, donc au départ, je pouvais les résoudre moi-même dans ma tête.» Parlee a depuis admis que l'analyse par éléments finis (FEA) par ordinateur avait sa place. « À l'origine, je ne mettrais pas de trous dans les tubes du cadre [pour les points d'entrée de câble ou les supports de porte-bidon] parce qu'ils étaient des points faibles potentiels, mais maintenant la FEA nous dit quoi faire pour renforcer ce trou », dit-il.
L'augmentation de la puissance de calcul associée à des logiciels de plus en plus sophistiqués permet aux ingénieurs d'analyser de nombreux modèles virtuels en peu de temps et de repousser les limites de la conception et des matériaux. Selon l'ingénieur de conception spécialisé Chris Meertens, «l'itération est le nom du jeu. Les outils FEA créent un modèle représentatif du cadre et l'objectif est de prendre en compte chaque fibre. Le logiciel me permet de concevoir chaque pli, sur la base d'un modèle d'optimisation pour les 17 cas de charge que nous avons pour un cadre de modèle.'
Ce que cela signifie, c'est que le logiciel indique à Meertens la quantité de carbone qui doit se trouver dans chaque zone du cadre et l'orientation optimale des fibres. La compétence, cependant, consiste à savoir ce qui est possible et ce qui n'est pas possible avec la superposition de carbone. Parfois, l'ordinateur crache des idéaux qui sont loin d'être idéaux. «La plupart du temps, je le regarde et je dis:« Nous ne pouvons pas faire cela », dit Meertens. "Alors je me suis occupé d'un logiciel de drapage de stratifiés pour couper des plis virtuels et les draper sur un mandrin virtuel, en me basant sur la faisabilité de la fabrication et les optimisations de stratifiés."
Même en utilisant un logiciel informatique, cela peut prendre des jours à déchiffrer, et il reste encore un long chemin à parcourir avant que le lay-up ne soit enfin défini. Un aspect où l'élément humain est essentiel est de s'assurer que la bonne qualité de fibre est utilisée au bon endroit. Selon Meertens, "la fibre 0° est très rigide mais n'a pas une bonne résistance aux chocs, donc, pour que le composite reste tolérant aux dommages, nous devons éviter d'en mettre trop dans des endroits comme le bas d'un tube diagonal. Je saurai à ce stade de quelles formes de plis j'ai besoin, mais maintenant je veux savoir combien de chaque pli. J'exécute donc un autre programme d'optimisation qui m'indique l'épaisseur que je dois leur donner - essentiellement le nombre de couches. Il analysera entre 30 et 50 combinaisons de plis. Nous parcourrons le cycle de drapage virtuel et d'optimisation quatre ou cinq fois, en affinant un peu plus les plis à chaque fois. Mais à un moment donné, nous devons appuyer sur "Go" et l'envoyer. '
Guide définitif
Le programme de lay-up est comme une carte 3D, détaillant chaque morceau de carbone façonné dans chaque couche. « Le cadre est divisé en neuf zones: deux haubans, deux bases, le boîtier de pédalier, le siège, le tube supérieur, le tube de tête et le tube diagonal », explique Meertens.« Nous spécifions la donnée, qui est un axe, pour chaque zone. L'orientation de chaque morceau de carbone dans une zone est alors liée à cette donnée. Un tube diagonal peut avoir des nappes à 45°, 30° et 0° par rapport au repère local. En général, le matériau à plus haute résistance est utilisé hors axe, à un angle. Le matériau à module plus élevé que nous utilisons axialement, à 0°.'
Le fichier résultant peut atteindre une taille de 100 Mo et est finalement transmis à l'usine. Chaque ouvrier de l'usine ne reçoit que la partie correspondant à la partie du cadre qu'il est chargé de créer. Ce n'est toujours pas le dernier cycle de production. Le cadre construit est un prototype à ce stade et il doit être testé pour s'assurer que la disposition conçue numériquement donne un cadre qui fonctionne dans la pratique. L'échographie, l'inspection aux rayons X et la dissection physique révèlent les épaisseurs du stratifié. Ailleurs, la matrice de résine sera brûlée pour exposer la qualité de la stratification et si le matériau ou les fibres ont migré. Les tests de flexion doivent montrer les mêmes résultats que l'analyse FEA. En fin de compte, cependant, c'est un humain qui l'emporte sur la route.
« Faire du vélo est la seule façon de vraiment le quantifier », déclare Bob Parlee. "Nous pouvons faire les tests de flexion et de charge, mais nous devons sortir et le monter pour voir s'il fonctionne comme nous le voulons." Lorsque le modèle réussit, la production reçoit enfin le feu vert.
La plupart des vélos sont produits en Extrême-Orient, ce qui accorde encore plus d'importance au calendrier de montage. Le plan finement détaillé, s'il est suivi à la lettre, devrait garantir que les produits sortant de ces grandes usines sont des jumeaux identiques de ceux testés et réussis au stade du prototype final. Bien sûr, la plupart des marques testent et retestent continuellement les cadres de production pour assurer la cohérence afin que les vélos qui arrivent dans les magasins répondent aux attentes des clients. Dans la plupart des cas, les fabricants peuvent également retracer l'intégralité du parcours d'un cadre, jusqu'aux origines des tout premiers brins de fibres. C'est quelque chose à quoi penser la prochaine fois que vous vous tiendrez debout et admirerez votre fierté et votre joie.
