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Procurez-vous n’importe quel matériel marketing de n’importe quelle marque de vélo offrant un cadre en fibre de carbone et vous serez sûr d’être inondé de jargon vague sur les matériaux et les méthodes de construction utilisées. Jetez un coup d’œil plus profond et vous constaterez que tant de marques parlent de choses similaires, et pourtant, le résultat final est souvent si varié.
Comme vous le dira un chef d’un restaurant étoilé au guide Michelin, les matières premières ne sont qu’un seul aspect du produit final. Donnez ces ingrédients identiques à un autre chef et le résultat sera certainement différent. Ce n’est peut-être pas pire, mais les saveurs, les textures et la présentation varieront sensiblement. L’utilisation de la fibre de carbone pour fabriquer un cadre n’est pas différente, et dans cette analogie, l’ingénierie détaillée, la sélection correcte des matériaux, la conception de la couche et la cohérence de fabrication se combinent pour séparer les imitateurs des experts, et même les experts les uns des autres.
Alors, comment exactement la fibre de carbone est-elle utilisée pour fabriquer un cadre? Quelles sont les différentes méthodes de construction? Pourquoi le terme lui-même est-il si trompeur dans le monde du cyclisme? Et si les matières premières sont les mêmes, pourquoi un cadre fonctionne-t-il mieux qu’un autre? Pour explorer tout cela et plus encore, nous avons obtenu l’aide des sorciers de la fabrication de carbone basés aux États-Unis chez Allied Cycle Works (une marque de HIA Velo) et du spécialiste australien de la réparation de carbone Raoul Luescher de Luescher Teknik, pour obtenir leurs idées sur la magie noire de la fabrication de cadres.
Qu’est-ce que la fibre de carbone?
Avant d’approfondir la façon dont un cadre se présente, nous devrions commencer par une explication de la matière première. La fibre de carbone commence son parcours en tant que polymère, qui est traité par diverses étapes de chauffage en longues chaînes d’atomes de carbone. Ces longues cordes, ou filaments, mesurent environ 5 à 10 microns de diamètre chacun, 10 à 20 fois plus petites que les cheveux humains moyens.
Ces filaments individuels sont ensuite regroupés pour former un mince ruban, ou remorquage. Et un peu comme la façon dont un fil devient une ficelle, qui devient ensuite une corde, les filaments de carbone travaillent ensemble pour former quelque chose d’extrêmement léger et solide.
Le nombre de filaments utilisés par remorquage est une métrique courante dans le monde du cyclisme et se mesure généralement par milliers. Par exemple, un câble en carbone avec 3 000 filaments porte généralement la désignation 3K; 6 000 filaments sont 6K, etc.
La résistance et la rigidité réelles des fibres individuelles peuvent également varier, la rigidité étant décrite comme un module. Un module plus élevé est obtenu en affinant de plus en plus le processus de production du filament, en dénudant chaque filament de plus en plus bas et en le rendant progressivement plus lisse et plus fin. Bien que plus gourmands en ressources, ces filaments plus minces sont également plus serrés dans un remorquage et augmentent la rigidité de l’ensemble du remorquage. Cependant, un module plus élevé est associé à une fragilité accrue, car chaque filament est plus fin.
Module est un terme souvent utilisé dans les documents marketing, et la chose clé à savoir est qu’il n’y a pas de standardisation dans la façon dont le module est décrit, du moins dans l’industrie du vélo: le matériau « ultra haut module » revendiqué par une marque peut en fait être plus flexible que le carbone « faible module » d’une autre marque. Plus important encore, c’est la façon dont ces différentes raideurs de carbone sont appliquées qui importe le plus, et les meilleurs cadres utiliseront toujours un mélange de modules.
Du carbone au composite
Les remorquages de fibre de carbone ne sont guère utiles en eux-mêmes, car à ce stade, ils ne sont que des morceaux de matériau secs et souples. C’est ici que l’un des éléments les plus trompeurs est révélé. Tous les matériaux en fibre de carbone utilisés dans le cyclisme doivent être liés à certains égards, généralement avec une résine époxy en deux parties. L’ajout de résine à la fibre de carbone transforme le matériau en composite, ou pour utiliser le terme d’ingénierie plus spécifique, polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP). Comme le matériau est également généralement en couches, le composite est souvent appelé stratifié.
Là où la fibre de carbone est extrêmement résistante et légère, la résine est relativement lourde et faible. L’objectif avec un tel composite est d’utiliser le moins de résine possible afin de maintenir la fibre de carbone en place. C’est ici que le carbone à module plus élevé brille vraiment, car les plus petits espaces entre les filaments nécessitent moins de résine pour se remplir.
Certains fabricants modifieront les caractéristiques de performance de la structure finie en utilisant d’autres types de fibres et des résines modifiées, telles que les époxydes composites infusés de nanotubes de verre ou de carbone (filaments microscopiques). Allied Cycle Works utilise un matériau de renforcement connu sous le nom d’Innegra dans ses cadres, tandis que d’autres sont connus pour inclure des matériaux tels que l’aramide pour augmenter la résistance aux chocs du stratifié.
La plupart des fabricants de cadres fabriquent des cadres avec des feuilles de fibre de carbone pré-imprégnées de résine non durcie – mieux connue sous le nom de pré-prég – appliquées sur un support en papier antiadhésif et expédiées sur de gros rouleaux. La résine s’active avec la chaleur, et ces feuilles pré-prég sont donc stockées dans un congélateur jusqu’à ce que cela soit nécessaire. Ce processus permet d’assurer une couverture uniforme de la résine sur l’ensemble du cadre, un meilleur contrôle fini de la pose et une réduction du temps de travail.
Dans la plupart des cas, les fibres de ces rouleaux sont toutes unidirectionnelles, toutes les fibres allant dans une direction parallèle. Cette orientation fournit une résistance et une rigidité maximales dans une direction, mais au détriment d’une résistance et d’une rigidité minimales dans la direction orthogonale. Alternativement, les câbles peuvent être tissés ensemble à différents angles, souvent selon un motif entrecroisé, de sorte que le matériau peut être également résistant dans plusieurs directions.
» Le pré-prég unidirectionnel (UD) est courant car il possède des propriétés spécifiques plus élevées et facilite la pose d’un angle de fibre spécifique « , explique Luescher. « est plus facile à poser à des endroits à géométrie complexe et où les charges sont moins définies. Il offre également une meilleure tolérance aux dommages car il est moins susceptible de se délaminer en raison de l’emboîtement mécanique des fibres. Les tissus tissés sont souvent utilisés à des endroits du cadre tels que les inserts, les coquilles de pédalier, les tubes de tête et partout où des trous sont percés pour les supports de bouteilles, les guides de câbles, etc. »
Alors que le préimprégné est de loin le matériau le plus courant dans l’industrie du cyclisme, d’autres méthodes de construction commencent par des fibres sèches.
L’enroulement filamentaire, par exemple, enveloppe des feuilles ou des rubans de fibre de carbone sèche autour d’un mandrin solide de forme nominalement cylindrique. La résine est appliquée pendant le processus d’emballage, puis l’ensemble est durci sous chaleur et pression.
Dans une autre méthode, le temps tisse ses propres tubes en carbone en interne à partir d’un remorquage en carbone sec – un peu comme la fabrication des chaussettes. Ce tube sec est ensuite fixé dans un moule, et la résine est injectée sous haute pression à l’aide d’un temps de processus appelé Moulage par transfert de résine.
Quelle que soit la méthode utilisée pour former la forme finale d’une structure, il appartient à l’ingénieur de s’assurer que les bons types de fibres de carbone (et de résines) sont utilisés aux bons endroits et dans les bonnes orientations pour le meilleur résultat final. Les concepteurs de cadres doivent peser un large éventail de paramètres, tels que la rigidité par rapport à la fragilité, et le poids par rapport à la durabilité. La résistance aux chocs, et bien sûr le coût, doivent également prendre en compte l’équation. En général, cependant, les possibilités de conception d’un cadre en carbone sont grandes ouvertes, et lorsqu’il est bien fait, l’espérance de vie d’un cadre en carbone peut être presque infinie.
Le processus de conception en un mot
Concevoir un cadre n’est pas un exploit rapide et il est donc impossible de rendre justice au sujet ici. Quelle que soit la marque ou le modèle du cadre, le processus est vaste et varie considérablement d’une marque à l’autre.
La plupart des cadres en fibre de carbone ont sans doute une genèse similaire – la marque définit le but du cadre et qu’il y a une demande pour celui-ci. Après tout, si vous allez investir des ressources importantes, vous feriez mieux d’être sûr de pouvoir le commercialiser.
L’étape suivante verrait les marques définir ce que le nouveau cadre doit réaliser. Compte tenu de la maturité des cadres de vélo en fibre de carbone à ce stade, c’est généralement l’amélioration continue qui entraîne le changement, et rarement une véritable innovation est réalisée. C’est pourquoi toutes les quelques années, vous voyez une marque mettre à jour un modèle existant avec des améliorations itératives et incrémentielles, plutôt que de redessiner en gros des produits déjà assez raffinés. C’est autant le résultat d’erreurs passées ou de limitations de conception antérieures que le signe du développement continu de l’utilisation de la fibre de carbone.
Luescher explique que les progrès dans les cadres en fibre de carbone sont principalement dus à un contrôle de processus plus cohérent.
« Bien qu’il y ait eu des progrès dans les qualités de fibres, qui sont souvent au centre des services marketing, un compactage et un moulage fiables l’emportent sur les gains théoriques d’un seul changement de matière première », a-t-il déclaré. « L’uniformité accrue du compactage a permis de réduire les défauts, de rendre les propriétés des stratifiés plus cohérentes et, par conséquent, d’augmenter les performances structurelles. En étant capables de produire des stratifiés plus cohérents, les modèles structurels sont mieux en mesure d’optimiser la pose du cadre pour produire des cadres plus légers, plus résistants et plus résistants à la fatigue qui ne nécessitent pas un facteur de sécurité aussi important que précédemment requis. »
Selon Sam Pickman, directeur des produits et de l’ingénierie chez Allied Cycle Works, le développement numérique joue un rôle énorme une fois le concept initial finalisé.
« Ici, nous plongeons dans le design de manière majeure, y compris l’analyse FEA 3D, les CFD si nécessaire, et surtout comment nous allons le faire. Nous décidons si et où le cadre sera divisé, quels matériaux nous voulons utiliser, comment nous allons le préformer, à quoi nous voulons que l’outillage ressemble, etc. »
Les prototypes pilotables sont chers et viennent généralement beaucoup plus tard dans le processus. Selon Pickman, Allied utilise d’abord un échantillon imprimé en 3D du vélo pour tester le montage des composants, l’esthétique générale et un plan de fabrication.
« Une fois cela réglé, la conception et la fabrication de l’outillage commencent et les manuels de pli sont créés. Une fois les outils terminés, nous commençons le développement des pièces. C’est alors que nous fabriquons et cassons physiquement des pièces. Après tout le développement numérique, nous sommes assez confiants, mais quelques révisions sont généralement nécessaires pour obtenir les performances dont nous avons besoin. Une fois que nous avons passé les tests, nous commençons à rouler sur les vélos et à recueillir des commentaires. En même temps, nous commençons à former le personnel sur les nouveaux processus. Lorsque nous avons tout effacé, nous lançons une course pilote pour résoudre les problèmes. »
Procédés de fabrication
Il existe plusieurs façons de transformer ces matières premières de fibre de carbone et de résine en cadre de vélo. Bien qu’il existe quelques acteurs de niche avec des techniques non conventionnelles, la grande majorité de l’industrie a adopté la méthode monocoque.
Fabrication monocoque
Un terme couramment utilisé pour décrire les cadres de vélo modernes en fibre de carbone, la conception monocoque signifie efficacement que l’article gère ses charges et ses forces à travers sa seule peau. En réalité, les véritables cadres de vélo de route monocoques sont extrêmement rares, et la majorité de ce que l’on voit dans le cyclisme ne comportent qu’un triangle avant monocoque, avec les repose-pieds et les repose-pieds produits séparément et ensuite collés ensemble. Ceux-ci, une fois intégrés dans un cadre complet, sont plus correctement appelés une structure semi-monocoque ou monocoque modulaire. C’est la technique utilisée par Allied Cycle Works, et est de loin la plus courante dans l’industrie du vélo.
Que la terminologie de l’industrie soit correcte ou non, les premières étapes consistent généralement à découper de grandes feuilles de carbone pré-prég en morceaux individuels, chacun étant placé dans une orientation spécifique à l’intérieur d’un moule. Dans le cas des travaux à cycle allié, le choix spécifique du carbone, la superposition et l’orientation vont tous ensemble dans un manuel de ply, autrement connu sous le nom de calendrier de superposition. Cela décrit précisément quels morceaux de carbone pré-prég vont à l’intérieur du moule. Pensez-y comme un puzzle, où chaque pièce est numérotée.
Les cadres en fibre de carbone sont souvent perçus comme étant bon marché et faciles à fabriquer, mais la réalité est que ce processus de superposition est extrêmement long et coûteux. Selon Allied Cycle Works, le cadre de route Alfa utilise 326 pièces individuelles en carbone pré-prég dans le cadre et 170 dans la fourche, qui sont toutes soigneusement posées à la main, dans une séquence spécifique et en plusieurs couches, suivant le manuel de l’ingénieur.
» La façon dont les plis se superposent à un autre aide à leur déploiement lorsque la viscosité de la résine diminue « , a expliqué Pickman. » Plus ils peuvent facilement glisser et remplir l’outil, meilleure est la consolidation. La taille préformée garantit simplement que les plis n’ont pas besoin de se déplacer sur un long chemin pour atteindre leur forme finale. Plus ils ont besoin de bouger, plus vous rencontrez de problèmes, y compris des problèmes de consolidation. »
Conçu pour être spécifique au modèle et à la taille, le moule dicte la surface extérieure et la forme du cadre. Ces moules sont généralement usinés en acier ou en aluminium, construits pour une utilisation répétée et sans variance.
Cependant, la surface extérieure n’est qu’une partie de l’histoire, et le carbone doit également être comprimé de l’intérieur pour assurer un compactage correct et qu’aucun vide (faiblesses) ne soit créé. Ici, différentes techniques sont utilisées. Les vessies gonflables, qui sont parfois juste laissées dans le cadre, sont peut-être les plus courantes. D’autres exemples incluent des mandrins en mousse ou en cire qui peuvent être fondus; des mandrins en silicium flexibles; et parfois même des mandrins plus solides, qu’ils soient en plastique ou en métal.
Le processus d’Allied est assez courant parmi les options de cadre premium et à grande échelle. Le cadre est superposé autour d’un réseau de vessies gonflables et de pré-formes semi-solides d’un côté d’un moule en deux parties en forme de coquille, et l’autre côté du moule est fixé sur le dessus une fois la pose terminée.
De là, le moule est complètement scellé avec un sac sous vide avant d’être déplacé sur la phase de démoulage. « Le démoulage est un processus entre la mise en place et le durcissement où vous appliquez du vide et de la chaleur sur la pièce et extrayez autant d’air que possible avant le durcissement », a expliqué Pickman.
Dans le cas d’Allied, le moule est ensuite retiré du sac sous vide et placé dans une presse chauffée. Là encore, le cadre à l’intérieur est chauffé pour permettre l’écoulement de la résine, tandis que les vessies internes sont pressurisées pour donner l’assurance finale que le compactage correct du matériau est atteint. Ce processus de durcissement augmente progressivement la pression interne dans le but de pousser les plis jusqu’aux parties les plus extérieures du moule. Ceci et le démoulage fonctionnent ensemble pour aider à éliminer les vides d’air, les plis de fibres ou d’autres risers de stress potentiels dans le matériau, tout en éliminant l’excès de résine.
Après durcissement, le cadre est extrait de son moule et les vessies d’air internes et les préformes sont retirées. Les décrochages, les montants de siège et les montants de chaîne sont ensuite collés avec le triangle avant. Ces liaisons sont suremballées avec des bandes supplémentaires de fibre de carbone pour fournir à la fois un soutien structurel supplémentaire et une finition de surface transparente, et tout cet assemblage est effectué dans un gabarit pour assurer un alignement parfait.
Maintenant, ressemblant à un cadre, l’étape suivante est le ponçage et la préparation de la peinture. Un processus ardu de détails fins garantit qu’aucun excès de résine ni aucune marque du moule ne sont visibles. En particulier, les fabricants accorderont une attention particulière aux joints de collage, qui nécessitent souvent le plus de traitement lors de l’assemblage du cadre.
À ce même point, des forages pour les cages à bouteilles d’eau, le support de dérailleur avant et les systèmes de gestion des câbles ont lieu. Avec un mélange de rivets (rivets filetés), de rivets et d’époxy généralement utilisés pour fixer de manière permanente les articles, ceux-ci sont soigneusement ajoutés aux zones qui ont déjà été renforcées en préparation lors de la phase de pose.
Au total, la création d’un seul cadre Allied Alfa, entièrement produit en interne aux États-Unis, prendrait environ 24 heures de travail.
« En temps réel, il faut environ 10 jours pour qu’un vélo traverse le bâtiment », déclare Pickman.
Lorsqu’il est bien fait, la conception monocoque produit un produit incroyablement résistant et léger, le tout avec un minimum de chevauchement de matériaux. C’est pour cette raison, plus la façon dont les propriétés mécaniques de la fibre de carbone peuvent être si soigneusement contrôlées, que la fabrication monocoque est le meilleur choix pour construire un cadre avec le rapport rigidité / poids le plus élevé. Si vous regardez les vélos utilisés dans le WorldTour, par exemple, tous, sauf le Colnago C60 de UAE Team Emirates, utilisent une technique de fabrication modulaire-monocoque.
La fabrication de monocoques n’est cependant pas sans quelques inconvénients, principalement liés à l’accessibilité et au coût.
Premièrement, comme détaillé ci-dessus, cette méthode demande énormément de main-d’œuvre. Même une usine bien équipée et efficace comme celle d’Allied prend un temps relativement long pour produire un cadre. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles la majorité des vélos en fibre de carbone dans le monde sont fabriqués en Asie – lorsque la main-d’œuvre représente la majorité du coût de fabrication, il est logique de minimiser autant que possible vos coûts de main-d’œuvre.
Deuxièmement, des moules spécifiques doivent être créés pour chaque conception de cadre, et dans ce cadre, chaque taille de cadre nécessite également son propre moule. Compte tenu de la façon dont certains fabricants proposent 12 tailles, voire plusieurs géométries pour chaque taille, il est facile de voir les dépenses inhérentes à ce processus. Selon Pickman, l’investissement d’Allied dans le moulage pour une nouvelle conception de cadre et de fourche sur une gamme complète, y compris l’outillage spécifique qui l’accompagne, coûte environ 160 000 US US.
Pour y remédier, de nombreux fabricants travaillent sur un cycle de vie de deux ou trois ans pour une conception de cadre en carbone, afin de récupérer les coûts sur une période prolongée. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles vous ne voyez pas des modèles comme Giant ou Specialized sortir avec un nouveau modèle de cadre chaque année.
Avec de tels coûts d’outillage, les petites marques et les fabricants ont du mal à justifier les ressources lorsqu’il n’y a pas de quantités de production pour soutenir l’investissement. Dans de nombreux cas, c’est ce qui conduit à l’utilisation de moules open source ou génériques par des marques plus petites ou à prix réduit.
Tube à tube
Les fabricants spécialisés dans les géométries, les ajustements et les lay-ups personnalisés ont du mal à produire des conceptions monocoques à un prix commercialisable, ils se tournent donc souvent vers une autre méthode de fabrication de cadres appelée tube à tube. Dans le concept, ce n’est pas si différent de la fabrication des cadres en acier soudé, en titane et en aluminium.
Dans ce processus, chaque tube à cadre en carbone est produit séparément, et parfois directement auprès d’un fabricant de tubes en carbone. Cette méthode permet aux constructeurs de contrôler la géométrie, la rigidité et la qualité de conduite d’un cadre. La sélection des tubes dicte les propriétés de performance recherchées par le constructeur de châssis, et la longueur du tube personnalisée dicte la géométrie.
Avec les tubes sélectionnés et coupés à la longueur, ils sont découpés de manière à s’adapter parfaitement les uns aux autres. Ensuite, un gabarit est utilisé lorsque les tubes sont assemblés pour créer un cadre. Les constructeurs époxy souvent les tubes ensemble, puis utiliser des feuilles prédécoupées et pré-prég pour envelopper les tubes ensemble et renforcer les joints.
Certaines méthodes plus avancées verront le cadre ensuite placé dans un sac sous vide ou même dans un moule rigide ou flexible pour faciliter le compactage, tandis que d’autres passeront directement à la préparation finale une fois la résine durcie.
Cette méthode est populaire pour les cadres géométriques personnalisés car elle permet un large éventail de contrôles sur des angles et des longueurs de tube spécifiques. Cependant, c’est un processus qui nécessite une approche qualifiée pour assurer la sécurité à long terme. De plus, il y aura plus de chevauchement de matériaux redondants dans cette méthode que ce qui est possible avec la technique monocoque.
Carbone à crampons
Tout comme la méthode tube à tube, les cadres en carbone à crampons voient des tubes singuliers assemblés pièce par pièce pour créer un cadre. Cependant, lorsque les joints de tube à tube sont enveloppés individuellement, les cadres en carbone à crampons utilisent davantage un processus plug-and-play où les tubes à onglets sont collés dans des pattes préformées – encore une fois, tout comme leurs analogues métalliques.
Souvent, les pattes des cadres en carbone modernes sont également en carbone, comme sur le Colnago C60, mais ce n’est pas toujours le cas. Comme tube à tube, la construction à crampons offre une flexibilité généreuse en termes de géométrie du cadre, de rigidité du cadre et de qualité de conduite, les possibilités étant limitées par les ergots disponibles.
L’un des exemples les plus récents de haute technologie est Bastion, à Melbourne, en Australie, qui utilise des cosses en titane imprimées en 3D pour un contrôle personnalisé complet à chaque commande. La Teammachine BMC originale, telle que celle montée par Tyler Hamilton sur Phonak, utilisait des cosses en aluminium avec des tubes en carbone, et bien plus tôt que cela, Trek a été le pionnier de la production en série de la technologie avec son cadre de route 2300.
Tout comme pour la construction tube à tube, cependant, les cadres à crampons présentent intrinsèquement plus de chevauchement de matériau que les monocoques, et restituent donc un rapport rigidité / poids inférieur.
Contrôle de la qualité et tests
Ce qui n’est pas évident, ce sont les étapes que certains fabricants prennent en cours de route pour s’assurer que les cadres finis répondent réellement à l’intention de conception – et, en d’autres termes, sont sûrs à rouler.
Bien que certaines normes de l’industrie existent dans ce domaine, telles que les certifications CEN et ISO, ce que fait Allied Cycle Works – et la plupart des autres grandes marques – pourrait être considéré comme les pratiques les plus courantes. En plus des inspections visuelles fréquentes, les pièces et sous-ensembles individuels sont pesés individuellement afin de s’assurer que la quantité appropriée de résine a été infusée dans chaque composant. Grâce en partie aux volumes de production réduits d’Allied, les matières premières sont également suivies.
Le fournisseur allemand de cadres Canyon va même jusqu’à inspecter les fourches et les cadres avec une machine à rayons X, ce qui fournit un moyen plus détaillé et non destructif d’examiner les pièces composites finies.
Un cadre fini
Tout dit et fait, la création d’un cadre en carbone est un processus long, et qui reste étonnamment pratique. Pour un matériau avec autant de polyvalence dans son utilisation, il ne fait aucun doute que le diable est dans les détails, surtout lorsqu’il s’agit de créer quelque chose qui est tout aussi léger, solide, conforme et sûr.
De loin, peu de choses ont changé dans la fabrication des vélos en carbone au fil des ans. Cependant, regardez plus en profondeur et vous verrez que la compréhension plus fine de l’application du matériau et l’amélioration du contrôle de la qualité ont conduit à un produit supérieur à ce qui était disponible dans les années passées. Quelle que soit la forme esthétique d’un cadre, il est sûr de dire que la véritable performance de la fibre de carbone se situe bien en dessous de la surface.
