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Enquête Carbone – Partie 1, les bases…

C’est un fait ! Sur le marché du VTT, l’usage de la fibre de carbone est vendu plus cher que celui des métaux tels que l’acier ou l’aluminium. Le plus souvent, selon un cliché pré-formaté : ce serait plus rigide, et plus léger… Bref, ce serait mieux ! Est-ce vraiment le cas ? 

Endurotribe a mené l’enquête, de longs mois durant. Méthodes, coûts, délais, qualités… En quoi consiste l’usage du carbone ? Quels sont les secrets de fabrication ? Quel est le savoir faire des marques ? Depuis le temps, on connait bien la production à base de métaux, moins la composite.

À nous donc, d’apporter des éléments d’information précis pour comprendre et juger. In fine : que chacun puisse estimer la valeur qu’il accorde à ce matériau. Première partie de cette enquête en trois parties : le savoir-faire de base !

 


Temps de lecture estimé : 8 minutes – Photos : Endurotribe & Santa Cruz / Gary Perkins


 

Au sommaire de cet article :

 


Au départ…

À une échelle infiniment petite, les atomes de carbone sont capables de s’agglomérer sous forme de fins cristaux. Agencés dans la même direction, ils constituent une fibre extrêmement résistante pour sa taille, et son poids. Il en faut plusieurs milliers pour former les fils qui forment les plis visibles à l’oeil nu.

La résistance et le poids sont donc deux qualités premières de l’usage de fibres de carbone. Mais le concept va plus loin. Tissées et orientées dans des directions particulières, les fils de fibres donnent des caractéristiques différentes au matériau, en fonction de leurs orientations.

Au global, on parle alors d’un matériau anisotrope : ses caractéristiques mécaniques diffèrent en fonction des directions dans lesquelles on le sollicite. Par-ci rigide et très solide, par là plus souple et flexible.

 

Intérêt total

C’est bien l’ensemble de ces caractéristiques – résistance, poids & anisotropie – qui fait l’intérêt du carbone. En matière de conception, ce principe permet théoriquement d’aller très loin dans l’optimisation : alléger, rigidifier, renforcer, maîtriser les déformations… Un usage de matériau qui a un impact sur les choix, les formes, et même jusqu’à la concrétisation de certains concepts impossibles avec d’autres matériaux.

Pour autant, l’usage des fibres de carbone constitue une difficulté supplémentaire en matière de production : c’est un savoir-faire à part entière qu’il faut intégrer aux capacités de production. Plus facile à dire qu’à faire, d’autant qu’on va le voir, les étapes sont nombreuses et complexes. Parfois-même plus artisanales et aléatoires qu’on pourrait l’imaginer…

 


Les ingrédients…

Pour fabriquer une pièce en carbone – cadre, roues, ou autre – le concept de base est le même. Il faut réunir les éléments suivants, tous dotés de nuances intéressantes…

* Cliquer sur les images de la galerie ci-dessous pour profiter de leurs commentaires en légende 😉

 

Et la cuisson !

Une fois tout disposé, vient l’heure de la cuisson. Il s’agit là d’un savant mouvement de résine… C’est presque acquis, la plupart de celles utilisées dans le milieu du vélo sont d’origine epoxy. Il s’agit d’un matériau thermodurcissable : colle semi-liquide au départ, elle durcit de manière irréversible à la chaleur. Entre temps, à l’état liquide, elle joue un rôle bien précis.

Elle représente en moyenne 38% de l’ensemble fibre+résine en début de cuisson, 35% à la fin. Les 3% d’écart servent à purger la pièce de l’air encore présent dans le matériau en cours de cuisson. Sous la pression de la vessie, les plis et la résinent se lient. Des bulles d’air se forment. La résine qui circule sous l’effet de la pression entraîne ces bulles et doit les faire sortir de la pièce, vers le dispositif du moule servant à gérer les surplus.

 


La suite ?!

Voilà pour les bases, comprenons les ingrédients et la recette. Reste que comme toute bonne tambouille, le secret n’est pas (que) là ! Il est tout autant dans les petits secrets de préparations. Ces petites manières de faire qui font la différence le moment venu.

C’est tout l’objet de la deuxième partie de cette enquête carbone. C’est peut-être même la plus passionnante : quels sont les choix possibles ? Quelles sont les avantages de telles ou telles solutions ? Qu’est-ce que tout ça coûte ?! Réponse dans la deuxième partie de cette enquête Endurotribe !

Rédac'Chef Adjoint
  1. J’ai des jantes carbones depuis 4 ans qui ne bougent, pareil pour le cintre. Mais par exemple malgré les protections les manivelles XX1 se sont usées à force de frotter sur les chaussures. Je vais remettre du shelter, mais je trouve que c’est le point faible de ce matériaux pour qui veut garder longtemps le composant/cadre. Outre les frottements sur le long terme, une glissade lors d’une chute peut abraser profondément le cadre.
    Qu’en penses tu Antoine?

    1. On le verra dans la deuxième partie de cette enquête, et c’est presque le plus important de ce que j’ai découvert dans cette enquête : il n’y pas une manière de faire du carbone, mais une multitude de possibilités/choix qui couvrent un large spectre et peuvent répondre à différentes problématiques. J’en pense donc que si des jantes résistent, mais que des manivelles non, il y a dans le lot des produits qui méritent de progresser dans leur conception. Bref, que ce n’est pas tant la faute du matériau en lui-même, mais de l’usage qui en est fait… L’erreur est humaine 😉

  2. dommage que les vtt en carbone éxistent et en plus électriques,à la base c’est un sport nature qui l’est toujours mais l’industrie qui nous fait croire que le carbone c’est mieux est très polluante.les sites et magazines qui testent la plupart du temps que des carbones participe à se sentiment.est ce que le pratiquant lambda roule mieux avec son carbone?de ceux que je connais,non,faut pas tomber,ni frotter danx les pierres,que le bike ne parte pas en valdingue dans les sentiers en montagne,la crainte de laisser 6000 EUROS par terre

    1. Le fait de placer VTTAE et carbone dans le même panier est à la fois révélateur et intéressant. Révélateur du fait que certaines tendances aient des étiquettes collées aux basques. Ici, que le carbone serait irrespectueux de l’environnement. Intéressant parce qu’effectivement, la question environnemental mérite un réflexion globale et pas seulement au sein d’un sujet “égo-centré sur un procédé en particulier”. C’est pourquoi la question du coût énergétique global de ce procédé et d’autres, dont l’aluminium, l’acier, le titane, les plastiques, les batteries, etc… Doivent et prennent place dans une enquête distincte de celle-ci 😉

  3. bonjour Antoine ,
    depuis quelques temps j’hésite a acheter un vélo en carbone , car comme certains de mes copains , je suis septique sur la résistance de ce matériaux pour un enduro . Avec un usage intensif dans la boue , les pierres , la vitesse , les chocs , les chutes , est ce que la résistance sera la même qu’un alu ? Et puis sur le côté esthétique est ce qu’il est possible de rattraper l’abrasion , ou l’affaiblissement d’une partie du cadre en remettant de l’epoxy et au besoin une couche de tissu a un endroit légèrement abimé , comme on peut le faire sur une planche a voile ?
    Le stockage du vélo dans lieu tempéré préserve t’ il la résistance du carbone et de l’époxy dans le temps ?

    1. réponse à Philef: j’en suis à mon 5° carbone depuis 1999 ! (Trek YSL le premier)) et jamais un problème ! Et ça se répare très bien (un pote fait ça admirablement et la retouche est invisible et hyper résistante.) Alors n’hésite pas !

      1. Oh, mes potes à moi ils arrivent à peine à changer une ampoule…
        alors un cadre carbone t’imagines.
        ahahah

    2. Comme pour l’aspect environnemental, la question de la résistance aux impact fait partie des étiquettes collées aux basque de l’usage de la fibre de carbone… À tort ou à raison. Je ne m’avancerais pas dans ce débat pour la bonne et simple raison qu’il me parait prématuré et incomplet. On le verra en deuxième et troisième partie de cette enquête : il y a une multitude de manière de travailler le carbone dans les détails. Entre autre pour renforcer. Une fois que l’on sait ça, on va au delà du réducteur cliché “carbone = fragile”. On est en position de poser des questions et de s’informer pour vérifier que les produits que l’on ambitionne d’utiliser répondent à nos craintes en la matière.

  4. réponse à Philef: j’en suis à mon 5° carbone depuis 1999 ! (Trek YSL le premier)) et jamais un problème ! Et ça se répare très bien (un pote fait ça admirablement et la retouche est invisible et hyper résistante.) Alors n’hésite pas !

  5. J’ai moi aussi un a priori sur la polution généré par des cadres carbones,
    mais cet a priori il n’est peut etre pas fondé ? quelqu’un aurait-il des reférences ?
    L’aluminium se recycle mais pas le carbone, je me trompe ?
    Pratiquer un sport nature en contribuant à sa destruction :/ c’est moins accomplissant !

    1. Merci pour ce témoignage et la prudence qui l’accompagne, il illustre exactement ce au delà de quoi cette enquête cherche à aller.Pour l’heure, il apparait que l’imaginaire collectif conçoit plus facilement le recyclage de l’aluminium que celui du carbone, alors que ce dernier existe. Reste que des informations précises, fiables et détaillées sur chaque procédés demandent un travail tout aussi important que celui produit pour aboutir à cette enquête. Chaque choses en son temps donc… Et à la fin, on pourra écrire un bouquin 😉

  6. J’oubliais dans mon commentaire précédant :
    le sujet est malgres tout tres intéréssant et j’ai hate de lire la partie 2 !!

  7. Bonjour à tous,

    J’ai hâte de lire la deuxième partie pour connaître les avantages du carbone par rapport à l’aluminium mais qu’en est-il par rapport au titan en terme de résistance, légèreté et recyclage?

    Notamment dans un usage Enduro rocailleux par exemple?

    1. Bonjour,
      J’ai écris deux articles qui devraient répondre parfaitement à ta question :
      http://pourmonvelo.fr/carbone-aluminium-vtt/ (comparaison aluminium et carbone)
      http://pourmonvelo.fr/titane-acier-vtt/ (comparaison titane et acier)

      Après on ne peut pas dire généralement qu’est-ce qui est plus résistant ou léger. Les matériaux et alliages sont toujours différents. Et surtout tout dépend de la géométrie du VTT. On verra plus tard dans la 2e partie s’ils abordent la question.

      Bonne journée !

      1. Au départ de cette enquête, nous avons constaté un manque de détail sur les spécificités du procédé de fabrication à base de carbone, vis-à-vis de son équivalent aluminium. Et pour y répondre, la tentation d’opposer les deux dans un match était grande. Pour autant, elle néglige une observation imparable issue des essais terrain que nous menons : en matière de sensations, les deux ont du sens. Tout comme l’acier ou le titane peuvent aussi en avoir. Un tel comparatif n’a donc pas de sens. Déclarer un vainqueur contribuerait à réduire la diversité de l’offre et mènerait à la ségrégation. À quoi bon ? Conclure que la différence est infime n’a pas de sens tant, à l’usage, il peut y en avoir. Il vaut mieux donc expliquer chacune, offrir ce que l’on peut pour aider chacun à trouver chaussure à son pied. Tout l’objet de cette enquête. Surtout, il faut garder à l’esprit que dans la conception d’un produit tel qu’un vélo, le matériau “n’est qu’un paramètre” parmis d’autres, avec lesquels il doit être cohérent. On peut donc tout aussi bien concevoir un bon vélo en carbone, en aluminium, en acier ou en titane… Pour peu que ce choix soit fait en cohérence avec d’autres paramètres pour atteindre les objectifs comportementaux que l’on souhaite tirer du vélo. Et encore une fois, juger de cette cohérence est bien plus facile lorsque l’on est sensible aux petits secrets de fabrication de chaque procédé. Pour le carbone, on en reparle mercredi prochain sur Endurotribe 😉

  8. le carbone plus polluant en fabrication,oui,maintenant avec les moyens que l’on a pour se renseigner,on peut se faire une idée des différents procédés de fabrications,idem avec l’alu et l’acier,titane etc…….
    après comme toute passion c’est une question d’égo et les fabricants et toute l’industrie du cycle dans sa globalité le savent bien.pour ma par trien de plus beau qu’une belle soudure non usinée jusquà disparaitre,connaitre comment se comporte le materiau,avant,pendant,après l’assemblage.
    je roule à 51ans encore en 26p,surtout en DH,j’apprécie le coté joueur,en27.5 pour tout faire.
    mais pas de carbone et encore moins d’éléctrique,le VTT c’est du vélo cipede et des qu’il y a un moteur cela devient un engin motorisé(mais c’est un autre débat)

  9. à l’heure actuelle sur le point environnementale il n’y a pas de recyclage à grande échelle mais des projets sont menées afin de remédier à cela selon ce journal spécialisé :
    https://journalducomposite.com/materiaux/recyclage/

    Il est notamment évoqué dans l’article scientifique ci-dessous (p4 – §3.1 technique de recyclage) qu’une solution a été trouvé et en phase d’étude qui permet d’extraire la fibre carbone par dégradation chimique de la résine.
    https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01066684/document

    Cependant, le traitement actuel des carbones à résine epoxy étant l’enfouissement selon ce même article (p6 – conclusion)

  10. Bonjour Antoine,
    Dans ton chapitre ‘au départ’, il me semble important de préciser que la fibre de carbone n’est qu’un renfort parmi tant d’autres aux propriétés différentes (verre, kevlar,etc…) d’un matériau composite. Ce composé de deux matériaux ou plus permet de tirer les avantages de chacun.
    La fibre de carbone n’est rien sans résine (ne tient pas en forme) et la résine n’est finalement qu’un ‘plastique’ sans propriétés exceptionnelles.
    On dit généralement que la fibre (le renfort) amène les propriétés mécaniques et la résine (la matrice) permet la mise en forme et la transmission des efforts entre les fibres.
    Concernant la résistance et la rigidité de la structure, c’est l’empilement des plis suivant différentes orientations qui permet d’optimiser une structure en dirigeant les fibre dans le sens des efforts mécaniques ou encore de diminuer la fragilité aux chocs en suivant quelques lois de drapage connues.

    1. Tout ça vient dans la seconde partie, à paraitre ce mercredi, intitulée “les secrets de fabrications” > Pour l’heure, il s’agissait de commencer par les bases. En l’occurence, les propriétés mécaniques “générales” du matériau composite dans son ensemble. Le détail du rôle de chacun vient dans un second temps, pour aborder les choses simplement, puis aller progressivement dans le détail. Histoire de ne pas perdre tout le monde au deuxième paragraphe. Merci tout de même pour ces remarques qui permettent de challenger la suite du travail effectué sur cette enquête 😉

  11. Concernant l’empreinte environnementale, la fibre de carbone est dérivée d’un polymère issu du pétrole et sa fabrication a un coût énergétique certain (carbonification à haute température). Cependant le coût énergétique est aussi important avec l’aluminium lors de la récupération de l’alumine dans le minerai et la réduction de cette dernière en métal pur, sans compter la création de déchets toxiques (cf le scandale des boues rouges à Gardanne et dans les Calanques).

    Concernant le recyclage, l’avantage est à l’alu.
    Le problème principal du composite à fibre de carbone vient de la résine qui est un plastique thermodurcissable. Cela signifie qu’une fois polymérisé (cuit), il est figé à jamais. Au contraire, les plastiques courants sont dit thermoplastiques et ne sont pas figés. On peut les fondre pour les remettre en forme.
    Pour recycler un composite à base de résine epoxy, il faut donc réussir à supprimer la résine à base de réaction chimique comme suggéré dans le lien de duconlajoie ou par combustion afin de récupérer au moins la fibre qui peut être réutilisée.
    Un gros point de développement actuel est donc la formulation de résines thermoplastiques aux propriétés correctes et la création de procédés efficaces pour les mettre en oeuvre.
    Désolé si c’est un peu long

    1. Y’a pas de secret : quand il y a de vraies infos à faire passer, ça prend de la place, et du temps. Ton commentaire est très pertinent et instructif. Tu n’a donc pas à t’excuser. Il résume bien l’approche comparative et complète (de l’extraction de matière première au recyclage) que l’on souhaite adopter pour traiter du sujet environnemental. Reste à trouver des données fiables et comparables pour chaque étape 😉

  12. Hello Flo,
    petite réflexion sur le sujet du recyclage et les nieme vies suivantes de la fibre. Outre le problème potentiel de dégradation de la fibre lors de l’extraction de sa résine, je ne suis pas rassuré quand à l’état de fatigue accumulés du fait de leur vécus mécaniques (déformations / contraintes) et surtout quand il s’agit d’un matériau élasto-fragiles tel que le carbone ^^

    1. Bonne remarque. Pour l’heure, la tendance semble plus à une utilisation sous forme injectées, et non plus tissée… Ce qui fait le carbotecture chez Magura ou encore ce qui faisait certains composite d’anciens dérailleurs Sram d’une autre époque 😉

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