Fabrication des cadres en carbone

Mis à jour : 9 oct. 2019

Depuis plusieurs années, l’arrivée du carbone a révolutionné le monde du vélo de montagne. Il est utilisé dans presque toutes les pièces et les compagnies l’utilisent à toutes les sauces, y compris dans leur marketing. Je vais vous expliquer ici un peu plus en détail comment tout cela fonctionne et vous permettre de connaître la vérité sur certains aspects souvent méconnus ou biaisés par de la fausse information qui circule.


Pour commencer, le carbone c’est quoi ?  

La fibre de carbone est un composé inorganique de la famille des polymères des macromolécules légères et des isolants (elles jouent le rôle d’isolants électriques et thermiques). Comme le plastique, la fibre de carbone n’est pas naturelle, elle s’obtient grâce à un processus de fabrication. Le polyacrylonitrile (PAN) est mélangé à des composés tels que l’acrylate de méthyle. Pour former les filaments qui caractérisent la fibre de carbone, il faut étirer le polyacrylonitrile afin que les fibres deviennent parallèles. On oxyde ensuite la fibre en ajoutant de l’oxygène, ce qui lui donne une structure hexagonale. C’est suite à cette étape que la fibre de carbone devient noire comme on la connaît. Les filaments de carbone mesurent entre 5 et 12 micromètres. Les filaments sont ensuite combinés à des polymères thermodurcissables comme la résine époxy, polyester ou vinylester (VE). Au départ, la fibre de carbone n’est pas rigide, mais ressemble à un morceau de tissu. C’est en superposant les fibres en combinaison avec la résine que l'on obtient des propriétés distinctes. Les résines thermodurcissables de la fibre de carbone la rendent plus rigide que l’acier ou l’aluminium. Elle est également 8 à 10 fois plus résistante que l’aluminium ou l’acier. En chiffres, la résistance à la traction de l’acier est de 600 MPa contre 3600 MPa pour la fibre de carbone. Elle est aussi moins dense que l’acier ou l’aluminium et plus résistante à la pression mécanique et à la corrosion. Le carbone possède une densité de 1g par cm3, contrairement à l’aluminium qui se situe à 2.7g par cm3.

Il existe différents types de fibres de carbone qui ont tous des propriétés différentes. En général la T300, T400, T600, T700 et T800 de la compagnie Toray sont les types les plus utilisés. Ces chiffres représentent alors les niveaux de module. Il y a aussi d’autres fibres comme la M30 qui complète la série T. Les types de carbone les plus utilisés pour la confection de cadres sont la T600, la T700 et la T800. Le plus haut module que l’on peut retrouver dans les cadres est la T1000. Les fournisseurs de fibre les plus importants sont Toray, Mitsubishi et Toho Tenax. Les noms T800 etc. sont des marques de commerce de Toray. Il existe des équivalents dans les autres marques.


Construction et lamination !!!


Des couches de fibre de carbone sont assemblées dans toutes les directions pour absorber et résister à diverses torsions, quelle que soit la zone d’impact. Cet aspect « tissu tressé » se voit clairement sur la plupart des cadres de vélo, en particulier chez les fabricants les plus réputés ; c’est une sorte de signature. Ce travail artisanal justifie aussi le prix final du produit : il faut un grand savoir-faire et de la finesse pour élaborer un cadre de fibre de carbone aussi esthétique que robuste. Les fibres à haut module vont être capables de prendre beaucoup plus de charges ce qui permet d’en utiliser moins pour une même force donnée. Vous aurez donc compris que c’est grâce à cela qu’il est possible de réduire la quantité de fibre, donc le poids. Une pièce fabriquée avec de la fibre T1000 pourrait alors être beaucoup plus légère et présenter les mêmes propriétés de résistance qu’une autre plus lourde en T600. Les fibres à très haut module sont par contre plus fragiles, ce qui fait que le produit aura une très grande résistance tant qu’il est utilisé de la bonne façon. Lors d’un impact ou s’il n’est pas utilisé correctement et subit des forces qui ne sont pas supposées, il risque de se briser. C’est l’une des raisons pour laquelle les produits en carbone sont très légers, mais sont peu résistants aux impacts lors des chutes. Les fibres à plus faible module, elles, sont plus souples et peuvent subir plus de forces multidirectionnelles sans pour autant se briser instantanément. Une compagnie qui indique utiliser une fibre de carbone de très haut module, par exemple de la T1000, ne peut utiliser cette fibre pour la totalité de son cadre, car il serait trop fragile. La compagnie va donc l’utiliser dans certaines sections, mais sans plus. Le carbone est un matériau peu résistant en compression, mais très résistant en tension. Plus la fibre est à haut module, plus elle est forte en tension. Donc l’objectif lors de la création d’un cadre est de trouver une combinaison (un tressage) afin que la fibre travaille toujours, ou du moins le plus possible, en tension. Un vélo subit principalement des forces verticales avec l’absorption des impacts par les suspensions, mais il en subit également de façon latérale dans les virages et lors du pédalage. Le cadre doit donc être résistant dans toutes les situations que rencontre le vélo dans une piste. Les différentes pièces subissent également des contraintes différentes selon leur conception et leur mouvement. C’est également la raison pour laquelle un vélo de XC, s’il est utilisé en DH, peut casser beaucoup plus facilement car il n’est pas conçu pour résister à des impacts aussi violents. Les combinaisons de fibre, de résine et tressage sont faites pour résister à des impacts d’une force X et si on dépasse ce plateau, on atteint alors le point de rupture du produit. La légèreté de la fibre de carbone est sa plus grande qualité. On peut alors produire des cadres très légers, sans négliger la résistance. Les vélos en fibre de carbone ont une élasticité, une

légèreté, un design et un aérodynamisme impossible à produire avec d'autres matériaux. La plupart des cadres sont faits de feuilles de fibres de carbone unidirectionnelles pré-imprégnées de résine époxy. Ces feuilles sont malléables et légèrement collantes. La résine époxy se durcit lorsqu'elle est chauffée (on appelle ce phénomène le ‘’curing’’). Le ‘’curing’’ de l'époxy se fait à partir d’un moule en acier chauffé dans une presse munie de plateaux chauffants. Le cadre est ensuite démoulé après que le moule ait suffisamment refroidit dans une presse munie cette fois-ci de plateaux refroidissants. La fibre de carbone n’a donc aucune limite en termes de design, forme, etc. Elle est 100% malléable. Très peu de fibres tressées sont utilisées dans le monde du vélo. Quand il y en a, c'est généralement sur la couche externe qu’on les retrouve. On utilise plutôt de la fibre unidirectionnelle. On joue avec l'orientation de ces fibres à chacune des couches. Les fibres sont souvent assemblées en alternance comme par exemple +45 degrés et -45 degrés. Les angles de superposition les plus communs sont 0, 22.5, 45 et 90 degrés. Toutes les pièces creuses en carbone sont moulées à l’aide d’une vessie. En gonflant la vessie, on pousse la fibre vers les parois du moule. On voit également de plus en plus l'utilisation d'un cœur en EPS (polystyrène expansé) dans la cavité du cadre pour augmenter la compaction des couches de carbone afin d’éliminer les plis de la vessie qui, eux, causent les défauts dans les cadres et en minimisent la résistance. Il est important de savoir que les cadres de carbone ne sont pas catégorisés en fonction du prix. Entre deux compagnies, il peut y avoir différents types de fibres et procédés qui sont utilisés qui justifient le prix mais dans certains cas, à qualité égale, c’est le marketing qui fait la différence. En effet, certaines compagnies optent pour une stratégie de prix plus élevé afin de créer une sensation de prestige autour de leur image de marque. Les usines asiatiques qui fabriquent les cadres en carbone le font pour la grande majorité des compagnies de vélos sur le marché. Le prix coûtant varie en fonction des quantités commandées ainsi que des accords négociés avec l’usine. Ce qui différencie les compagnies, c’est la recherche et le développement derrière le système ainsi que le contrôle de qualité de production afin de s’assurer que leur produit offre toujours le même rendement de la première à la dernière pièce produite.  Pour les cadres plus économiques on retrouve souvent un mélange de fibres de verre et fibres de carbone ce qui permet une réduction des coûts de production mais alourdit alors le produit.


Production uniquement en Asie ?

Quand on parle de production de cadre en carbone, on fait toujours référence à l’Asie. Mais existe-t-il des usines de production ailleurs dans le monde ? Bien sûr !  Les compagnies comme Alchemy, Allied cycles works et Guerilla Gravity font des productions à petit volume aux USA. Trek est probablement le plus gros fabricant local de cadres de carbone aux Etats-Unis. Ils fabriquent à l’interne leurs cadres plus haut de gamme à petit volume alors que la production de masse est assumée en Asie. D’autres compagnies vont faire du développement de cadres prototypes en carbone à l’interne dans leur pays d’origine. C’est le cas notamment de Santa Cruz et Ibis mais cependant ils ne font pas de production de masse. La grande majorité de la production mondiale est faite en Chine, au Vietnam ou à Taiwan. Le savoir-faire de l’Asie provient généralement des États-Unis ou de l’Europe. Les pays occidentaux regorgent de spécialistes des composites qui leur enseigne les différentes méthodes de fabrication. La force de l’Asie, pour sa part, est la diminution des coûts de fabrication, l’abondance de main-d’œuvre et la capacité à produire de grands volumes. Une usine de production de cadres de vélos peut compter facilement entre 1500 et 3000 employés.


Pourquoi les cadres en carbone ne sont-ils pas aussi légers que l’on croit ?


C’est principalement dû au facteur de sécurité. Le facteur de sécurité varie énormément d'une compagnie à l'autre et selon le manufacturier choisi. Un cadre optimisé (donc avec un petit facteur de sécurité) demandera beaucoup de développement pour optimiser le ‘’lay-up’’ de carbone et utiliser les meilleurs procédés de fabrication. Certaines compagnies vont favoriser le faible poids tandis que  d'autres vont favoriser la durabilité. C'est pourquoi on peut voir une variation aussi importante que 800 grammes pour un cadre d'enduro qui peut varier entre 2200g et 3000g.  


Le carbone, c’est fragile ?


Lors d’un impact, le carbone peut subir ce qu’on appelle une délamination. C'est en fait souvent une micro-délamination qui va évoluer avec le temps en se propageant entre 2 couches de carbone. Celle-ci vient alors altérer la résistance du produit et diminuer sa limite du point de rupture.  Le produit peut alors casser à un moment auquel il aurait théoriquement résisté s’il avait encore été intact.  Les mécanismes de rupture des composites sont cependant difficiles à prédire.


Les petites compagnies, comment font-elle ?

En ce qui concerne les petites compagnies de vélos tel que Rythm Bikes (Québec) et Evolve (Colombie-Britannique), elles font affaire avec les mêmes fabricants que plusieurs autres compagnies, mais étant donné les limites de budgets ils offrent à leurs clients des cadres de type « Open Mold ». Qu’est-ce qu’un ‘’open mold’’ ?  Un ‘’open mold’’ est un vélo qui est développé par un fabricant asiatique. Ce manufacturier peut être également un fournisseur OEM (original equipment manufacturer) pour d'autres compagnies connues. Le manufacturier intègre le coût de développement et de l'outillage dans le prix unitaire du cadre. Ils vont vendre ces cadres à plusieurs petites marques à travers le monde avec de faibles quantités minimum requises, mais lorsque l'on combine tous les clients, le volume de production devient intéressant pour le manufacturier. Ceux-ci optent généralement pour des systèmes de suspensions qui ne sont pas brevetés ou qui sont expirés afin de réduire le coût des cadres. Mais attention !!! certains vont vendre des cadres avec des designs identiques aux marques connues, mais avec des épaisseurs de carbone moindres et non approuvées par les différentes normes ISO et UCI. On a vu beaucoup de contrefaçon de cadres de marques connues tel que Pinarello ou Specialized qui peuvent vraiment être dangereux à utiliser car le carbone est réduit au minimum. Parfois même on utilise de la fibre de verre ainsi que du papier journal pour atteindre une certaine épaisseur de paroi. Il est extrêmement important de rester vigilant lorsque vous planifiez acheter un cadre qui est anormalement peu cher, puisqu’il y a une raison derrière cela. Ce n’est pas parce que le cadre vient directement du fabricant. Un vrai fabricant ne vend pas au prix OEM à monsieur et madame tout-le-monde. Si c’est trop beau pour être vrai, posez-vous des questions !


En conclusion, ce n’est pas le type de fibre qui fait la différence, mais la recette que l’on utilise pour fabriquer le produit. La combinaison entre le type de fibre, la résine utilisée ainsi que la façon dont on va positionner nos fibres va donner des résultats différents en termes de sensation, de résistance, etc... La qualité de fabrication ainsi que le contrôle de qualité sont également des éléments importants dans la conception du carbone afin d’éviter les imperfections de lamination.

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