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Améliorer la résistance aux impacts des cadres de vélo en carbone


Une des règles immuables des matériaux structuraux est que la rigidité augmente toujours au détriment de la résilience.

Appliquée aux cadres de vélos en fibres de carbone, cette règle a une conséquence bien connue des cyclistes : alors que les cadres en acier, en aluminium ou en titane s’enfoncent ou plient en cas de fort impact, la fibre de carbone a tendance à se fissurer ou à se briser.

Et si cela changeait ? Une nouvelle vague de matériaux et de technologies composites promet de maintenir les performances des fibres de carbone, tout en améliorant significativement leur résistance aux chocs.

Le problème des fibres de carbone

Le composite carbone est aujourd’hui le matériau roi des cadres de vélo, à juste titre, pour son excellente rigidité spécifique. Des années d’améliorations apportées aux procédés permettent de réaliser des géométries complexes et d’intégrer des fonctions aux structures.

Malheureusement, cette rigidité n’est pas gratuite : les cadres en fibre de carbone sont terriblement fragiles.

Différentes stratégies ont été adoptées pour compenser ce problème. La plupart du temps, les concepteurs remplacent les fibres de carbone par des matériaux plus résilients (mais moins rigides) dans les zones les plus exposées aux ruptures en cas de crash, comme la liaison entre le guidon et le tube supérieur.

Une autre solution consiste à ajouter des patchs, en aramide par exemple, pour protéger les plis structurels.

Toutes ces solutions restent des compromis, qui ajoutent de la masse à des structures ultra-optimisées.

L’attrait des composites hybrides

Au lieu de superposer des plis de matériaux différents, on peut aussi utiliser des tissus qui assemblent dans une même épaisseur du carbone et de l’aramide, par exemple.

TeXtreme® hybrid carbon zylon side web

Tissu hybride TeXtreme®- Photo oXeon

Cette solution permet de profiter des propriétés des deux matières, tout en limitant l’impact sur la masse et l’épaisseur.

Elle est déjà appliquée depuis plusieurs années à des cadres, des fourches, et d’autres composants, mais les fabricants sont réticents à l’employer car ces tissus peuvent être difficiles à mettre en œuvre.

Obtenir un bon état de surface sur de l’aramide n’est pas évident, et assurer une bonne liaison avec la résine époxy est difficile.

Cependant, une nouvelle génération de matériaux hybrides prometteurs, était présentée au salon Cyclitech de décembre dernier.

Du plastique, de l’acier, et des fibres de carbone

Contrairement à ce qu’on pourrait croire, deux de ces matériaux innovants sont composés en majorité de plastique : Dyneema est une fibre polyéthylène de masse molaire très élevée, tandis qu’Innegra est une fibre polypropylène à masse molaire élevée.

En incorporant ces fibres à des plis hybrides de carbone, la résistance à l’impact est grandement améliorée, d’après les fabricants de ces deux matériaux.

Dyneema wheels

Dyneema travaille aussi sur les rayons des roues de vélo – Photo Dyneema

Le mécanisme est simple : ces fibres plastiques ont une plus grande élongation avant rupture que le carbone, et une résistance à la rupture en traction très élevée. Elles résistent mieux aux concentrations de contraintes très localisées que les fibres de carbone, en dissipant et en diffusant l’énergie de l’impact.

Innegra 1

Les fibres d’Innegra incorporent des micro-cavités, qui contribuent à absorber l’énergie des chocs – Photo Innegra

DSM Dyneema assure par exemple que l’absorption d’énergie à l’impact peut aller jusqu’au double de celle d’une structure composite renforcée uniquement de carbone, tout en réduisant la masse (probablement en dégradant en partie la raideur), avec une meilleure absorption des vibrations.

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Fourche hybride carbone/acier après essai – photo REIN4CED

Un des concepts les plus intéressants exposés à Cyclitech était un composite hybride acier/carbone, de l’entreprise belge REIN4CED. Dans ce cas-ci, c’est l’acier qui apporte de la ductilité et de la résistance à l’impact, mais avec une rigidité supérieure à celle des fibres plastiques Dyneema ou Innegra. La caractéristique à surveiller est alors la masse.

Il sera intéressant de voir lequel de ces nouveaux matériaux permet d’optimiser au mieux les nouvelles structures.

Notons toutefois que ces trois technologies n’éliminent pas complètement les risques de rupture à l’impact, mais permettent d’éviter les ruptures catastrophiques qui causent de graves blessures. Les fibres plus résilientes agissent comme une cage qui maintient la cohésion de la structure autour des fibres de carbone rompues.

Le retour des thermoplastiques

La très grande majorité des structures de vélo en fibres de carbone actuellement sur le marché fait appel à des résines époxy, thermodurcissables.

Une autre piste pour améliorer la tolérance aux chocs des structures composites consiste à remplacer les thermodurcissables par des résines thermoplastiques, plus ductiles.

Les résines thermoplastiques seraient plus efficaces pour diffuser les contraintes, retardant les ruptures de fibre et les décohésions à l’interface fibre/matrice.

Parmi leurs autres avantages, elles sont recyclables, et n’ont pas besoin d’être stockées au froid avant fabrication.

Des dommages visibles plus tôt

Un des plus gros dangers du comportement des composites à fibres de carbone est que, souvent, les dommages sont invisibles en surface. On peut donc continuer à utiliser, sans s’en douter, une structure déjà fragilisée, qui risque de rompre de façon catastrophique lors d’un choc relativement réduit.

Ces dégâts invisibles en surface peuvent être identifiés par des techniques de contrôle non destructif, comme les ultrasons, mais la plupart des cyclistes n’y ont pas accès.

Les nouveaux matériaux hybrides décrits précédemment, ainsi que les composites à base de résines thermoplastiques, présentent là aussi un avantage : ils « marquent » plus facilement en cas d’impact. Cette caractéristique peut être vue comme un défaut du point de vue de l’esthétique, mais améliore la sécurité.

Les défis de la fabrication

Parmi ces technologies, ce sont les composites thermoplastiques qui posent le plus de problèmes de mise en œuvre. Contrairement aux procédés thermodurcissables, connus et optimisés depuis des dizaines d’années, les procédés thermoplastiques sont relativement nouveaux pour l’industrie cycliste. Des tentatives ont eu lieu dans les années 1980, sans grand succès.

Les thermoplastiques doivent être mis en œuvre à haute température (autour de 400°C pour le plus performant, le PEEK), et requièrent donc des procédés automatisés.

Le secteur cycliste pourra s’appuyer sur les progrès réalisés ces dernières années par l’aéronautique et l’automobile, en commençant probablement par des pièces de géométrie simple, plus faciles à automatiser, comme les guidons.

Certains nouveaux matériaux hybrides, en revanche, sont déjà disponibles : Innegra et Dyneema proposent une gamme de produits relativement étendue, que les fabricants peuvent intégrer à leurs procédés et modèles existants.

Par exemple, des fibres Innegra sont incorporées au guidon « Vide Aero » de la marque PRO, et aux cadres en carbone sur-mesure de l’entreprise slovène Berk Composites.

D’après un représentant de Dyneema au salon Cyclitech, des discussions sont en cours avec différentes marques, et une première application devrait voir le jour en 2017.

Source : “Crash-resistant carbon fiber : Why your next frame might just be made of hybrid composites and thermoplastics”, James Huang, Cyclingtips, 21 décembre 2016

 

 


A propos de Magalie Castaing

Après 10 ans d’ingénierie mécanique dans le secteur de la défense, j’ai créé une entreprise de développement web : Kasutan. Le Journal du composite est l’intersection de mes différents métiers : ingénierie, langues et internet.