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Aug 23, 2023

Fibre de carbone

La vie secrète de la fibre de carbone, le matériau le plus répandu dans le cyclisme. Depuis le carbone

La vie secrète de la fibre de carbone, le matériau le plus répandu dans le cyclisme.

Depuis que la fibre de carbone a essentiellement pris le contrôle du monde du cyclisme de performance il y a près de deux décennies, l'industrie du vélo a continué à créer des conceptions toujours plus légères, plus rigides et plus impressionnantes qui étaient impossibles à réaliser en métal.

Mais les produits en fibre de carbone peuvent aussi être plus obscurs et mystérieux que leurs homologues métalliques. Voici 11 faits que vous ignorez peut-être sur le matériau.

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Cela semble juste ainsi. Il est vrai que la plupart des produits en fibre de carbone de l'industrie du cyclisme proviennent de Chine, de Taïwan et, de plus en plus, du Vietnam et d'Indonésie. Mais certains cadres et pièces en fibre de carbone sont également fabriqués dans des usines de vélos américaines (Allied, Guerrilla Gravity, Zipp, Enve et Argonaut, par exemple), au Portugal, en Tunisie (Look) et en Italie (Sarto, Basso, Colnago's C68).

Malgré sa réputation de matériau aérospatial, la fibre de carbone est en fait aussi facile à travailler à petite échelle que les tubes métalliques. Les petits magasins américains et même les constructeurs individuels peuvent travailler avec du carbone, et pas seulement les tubes finis disponibles auprès d'entreprises comme Dedacciai en Italie ou Rock West dans l'Utah. Des constructeurs comme Craig Calfee, Nick Crumpton et Matt Appleman, qui ont tous exposé au North American Handmade Bike Show, créent leurs propres cadres à partir de feuilles de carbone de la même manière que les grands constructeurs comme Giant.

[Les différences entre les matériaux de cadre de vélo - expliquées]

La fibre de carbone elle-même est généralement constituée d'un matériau appelé fibre de polyacrylonitrile (PAN). Un précurseur moins courant est appelé poix. La fibre PAN est cuite à des températures extrêmement élevées, ce qui brûle tout le matériau non carboné et laisse une série de fibres très fines et longues. Plus il y a de traitement, plus la rigidité augmente.

Il s'agit d'un processus industriel sophistiqué, et seules quelques entreprises dans le monde ont la capacité de fabriquer de la fibre de carbone brute. En 2010, selon un rapport du Département américain de l'énergie, plus de 90 % de l'approvisionnement mondial en fibre de carbone provient de seulement six sociétés : Toray, Teijin (Toho Tenax), Mitsubishi Chemical Corporation, Zoltek, Hexcel et Cytec. Toray, Teijin et Mitsubishi représentent près des deux tiers de la production mondiale de fibre de carbone. Zoltek, Hexcel et Cytec ont leur siège social aux États-Unis et fabriquent un peu moins d'un tiers de la fibre de carbone mondiale.

La fibre de carbone se présente sous diverses formes : fil brut ou fibre en feuille (tous deux en fibre continue) et fibre à remorquage court qui peut se présenter sous forme de feuilles ou de touffes de fibres coupées de très courte longueur. La fibre hachée est utilisée dans des produits comme les corps de pédale. Le style de feuille est le plus courant dans les cadres de vélo, et c'est ce que cela ressemble: des feuilles continues de fibre de carbone (appelées plis), qui ressemblent à des boulons de tissu et sont généralement à peu près aussi larges, enveloppées sur des bobines géantes. Le fil brut est beaucoup moins courant dans l'industrie du vélo; seule une poignée de fabricants de vélos comme Giant et Time ont la capacité technique de travailler avec du fil brut.

Nous disons "fibre de carbone", mais ce que nous voulons vraiment dire, c'est "composite en fibre de carbone" - ce n'est pas le seul matériau de votre cadre. En effet, les incroyables propriétés de rigidité de la fibre de carbone ont un prix : en soi, elle est assez cassante et sujette à se fendre et à se fissurer. Pour préserver ses capacités, il est suspendu dans un matériau semblable à de la colle appelé résine époxy avant d'être moulé, formant un matériau composite. La plupart des fibres de carbone utilisées dans l'industrie du vélo se présentent sous cette forme, appelée "pré-imprégné".

La résine accomplit deux tâches. Premièrement, il maintient le carbone ensemble, à la fois les fibres individuelles dans un pli et, une fois durci, l'orientation des deux plis l'un vers l'autre. Deuxièmement, la résine ajoute une ténacité et une durabilité cruciales. Il est légèrement plastique, se déformant sous l'impact pour aider à absorber les coups violents comme un crash ou un coup de pierre, sans créer de séparation cruciale entre les fibres.

Chaque entreprise de vélo sale généreusement sa littérature sur la conception du cadre avec des mots à la mode comme haut module ou même "ultra haut module". Mais ces termes ne sont pas à la portée de l'industrie du vélo. La fibre de carbone est classée par sa rigidité, évaluée en termes de module de traction, ou combien un matériau se déformera sous la charge. Pour la fibre de carbone, ces cotes et la plage de rigidité couvertes par chaque couverture sont définies par l'Association japonaise des fabricants de fibre de carbone (JCMA).

La plupart des fibres de carbone utilisées dans l'industrie du cyclisme sont de module standard ou de module intermédiaire ; sur les cadres plus chers, des grades plus élevés entrent en jeu. Mais cela ne semble pas très sexy, il y a donc souvent un peu de classement sur la courbe lorsque les entreprises glissent le high-mod et l'UHM dans leur copie. Certaines entreprises s'éloignent complètement de la massification du système de notation, créant simplement leur propre système de notation du carbone avec des termes marketing spécifiques à l'entreprise comme FACT ou Advanced Grade.

Un bon cadre en fibre de carbone est un mélange de fibres de carbone de différents types, chacune utilisée à différents endroits dans un cadre à des fins très spécifiques. La fibre à haut module est chère (grâce à tout ce traitement), donc les fabricants de vélos utilisent judicieusement des quantités relativement petites dans des domaines clés comme le tube diagonal, le boîtier de pédalier et les bases pour résister aux forces de pédalage et rendre le vélo plus rigide. Mais ils sont placés dans le moule avec des fibres à module standard et intermédiaire et à haute résistance pour créer le type de durabilité, de performance et de qualité de conduite d'un bon cadre en carbone.

La fibre de carbone est un excellent matériau de vélo pour deux raisons. Premièrement, il est plus rigide et plus léger que presque tous les autres matériaux que nous connaissons. Deuxièmement, contrairement au métal, la rigidité de la fibre de carbone peut être finement manipulée ; ses propriétés de rigidité ne s'appliquent que de manière unidirectionnelle, ou le long de l'axe longitudinal des fibres elles-mêmes, de sorte que la rigidité peut être ajustée en fonction de l'orientation ou du placement du composite en fibre de carbone dans le moule. C'est ce qu'on appelle l'anisotropisme. Les métaux, en revanche, sont isotropes, présentant les mêmes propriétés de résistance et de rigidité le long de n'importe quel axe du matériau.

Les ingénieurs utilisent des logiciels sophistiqués qui tiennent compte de la qualité du carbone, de la résine, de la forme, de la taille et de l'orientation du pli en fibre de carbone, et même de son emplacement dans le moule. C'est ainsi que les cadres sont optimisés pour une légèreté ou une rigidité extrême, ou les deux, mais ces programmes et l'expertise des diplômés pour les exécuter coûtent cher. Cela - et le coût du carbone à haut module nécessaire pour réaliser les conceptions les plus modifiées - est ce qui rend les plus beaux vélos en fibre de carbone beaucoup plus chers que même leurs pairs de milieu de gamme.

Ce look classique en fibre de carbone tissé croisé n'est en fait pas vraiment un attribut de performance. Une couche tissée ajoute une certaine rigidité, mais l'un de ses principaux objectifs est d'ajouter une feuille supérieure qui est acceptable pour les coups, les rayures et les bosses, car la plupart des propriétés structurelles du cadre ou de la pièce proviennent de la fibre unidirectionnelle en dessous.

Il fournit également une couche cosmétique qui met en valeur le savoir-faire d'un constructeur, car aligner les bords d'une feuille tissée dans le moule pour créer une couture parfaite nécessite une expertise importante. De plus en plus, cependant, les fabricants de vélos et de pièces sautent complètement une couche supérieure tissée et laissent simplement la fibre unidirectionnelle servir de peau cosmétique.

La construction de cadres personnalisés est souvent associée à l'acier et au titane, mais chaque cadre, roue, guidon ou autre pièce en carbone fabriqué avec une feuille de fibre de carbone nécessite un travail pratique intensif, que le cadre soit un modèle personnalisé d'un petit constructeur comme Crumpton, ou un modèle de production de Giant ou Trek.

Les couches individuelles de carbone sont souvent découpées à partir d'une feuille par une machine commandée par ordinateur, mais c'est à peu près le seul processus automatisé tout au long de la production : un cadre ou une pièce composite en fibre de carbone doit être assemblé dans un moule avec précision selon le programme de drapage, un processus qui n'a pas encore été automatisé. Dans les petites installations, une personne peut poser un cadre entier. Dans les plus grands, les travailleurs créeront une couche pour une partie spécifique d'un cadre, comme une zone de boîtier de pédalier, puis passeront la pièce à d'autres travailleurs pour la disposer autour des tubes et la placer dans le moule final pour le durcissement.

Même le processus de post-durcissement - où un cadre est sorti du moule, nettoyé et peint - nécessite une attention particulière. Des travailleurs experts examinent le cadre ou la pièce pour des problèmes tels que des rides dans le carbone ou des endroits où les couches ne sont pas compactées en douceur, ce qui pourrait provoquer une défaillance.

C'est une idée fausse courante qu'une fois qu'un cadre ou une pièce en fibre de carbone est endommagé, c'est grillé. Mais comme un cadre en acier ou en titane, un cadre en fibre de carbone peut parfois être réparé. Le processus n'est pas très différent : la section endommagée est découpée puis pontée avec un nouveau matériau qui est durci, poncé et peint en conséquence. Avec les réparations de carbone les plus expertes, vous ne pourrez peut-être même pas voir la partie affectée.

Mais c'est un travail d'experts. Il existe des kits de réparation de bricolage en fibre de carbone, mais ils sont principalement destinés à des produits comme les pagaies de kayak. Les cadres de vélo sont des structures porteuses complexes qui doivent supporter le stress de forces telles que le sprint et les virages à grande vitesse. Si votre cadre en fibre de carbone est endommagé, le fabricant peut avoir un processus de réparation interne, ou vous pouvez faire appel à un tiers réputé comme Calfee Design. Mais en aucun cas vous ne devez tenter une réparation vous-même.

L'essor de la fibre de carbone a permis une explosion de styles de cadre distinctifs. Il est possible d'identifier un Pinarello ou un Specialized juste à partir de la silhouette d'un cadre. Mais ce design industriel distinctif rend également les montures particulièrement susceptibles d'être copiées par les contrefacteurs.

Il est relativement simple de créer un moule à partir d'une version réelle d'un cadre fini (ou même de photos détaillées du produit). Mais les matériaux, la stratification et les méthodes de construction peuvent différer complètement. De nombreux contrefacteurs n'ont pas la capacité de fabrication sophistiquée et utiliseront des matériaux de remplissage bon marché pour imiter l'apparence extérieure de la vraie chose dans les vélos contrefaits. Comme l'a dit l'ancien directeur du laboratoire de test de Specialized, Santiago Morales, à propos des contrefaçons : "Ce n'est en aucun cas un produit d'ingénierie ; c'est comme une toile qui est peinte pour avoir le même aspect."

Joe Lindsey est un journaliste indépendant de longue date qui écrit sur les sports et le plein air, la santé et la forme physique, la science et la technologie, en particulier là où les trois éléments de ce diagramme de Venn se chevauchent.

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