Les vélos en carbone exercent un pouvoir d'attraction unique. Légers, rigides et stables : les cadres de vélo modernes en carbone sont considérés comme le nec plus ultra de l'industrie des articles de sport. Mais contrairement à un cadre en acier ou en aluminium, aucun tube visible n'est relié à un cadre de vélo en carbone. Le matériau noir soulève donc des questions. Des questions que nous avons posées à Christian Gemperlein, ingénieur diplômé en technique des matières plastiques et fondateur de l'entreprise Bike Ahead Composites. L'expert nous donne les 20 réponses les plus importantes sur le thème des cadres de vélo en carbone.
Production de cadres de vélos en carbone
1. BIKE : Comment est produit un cadre en carbone ?
CHRISTIAN GEMPERLEIN : Tout commence par la découpe des couches de préimprégné, parfaitement adaptées aux différents tubes. Ensuite, nous les plaçons manuellement dans un moule négatif. Dans les productions asiatiques, les couches sont souvent enroulées autour d'un noyau positif. Le nombre de couches et leur chevauchement varient en fonction de la charge. Le processus de durcissement nécessite de la pression et de la chaleur. En Extrême-Orient, cela se fait généralement dans une presse à chaud, alors que nous travaillons avec une grande cuve sous pression, également appelée autoclave. Après le démoulage, le matériau possède déjà la résistance souhaitée, mais il doit encore être retravaillé. Autrement dit : poncer les arêtes de séparation, percer des trous, coller les pièces métalliques, fraiser les logements des roulements. Pour finir, la pièce en carbone est scellée chez nous, peinte chez d'autres.
2. quel est le matériau de base d'un cadre en carbone ?
Les préimprégnés servent de matière première pour un composite en carbone. Ceux-ci sont préfabriqués sous forme de tissu ou de matériau unidirectionnel, les fibres de carbone étant imprégnées de résine. Ils sont livrés en grandes bandes sur des rouleaux.
Préimprégnés de carbone : des copeaux de haute technologie
3. Y a-t-il aussi des producteurs de préimprégnés importants en Europe ?
En Europe, il existe de grands fabricants de préimprégnés. Ce sont surtout des sous-traitants importants pour l'industrie aéronautique et automobile, qui consomme bien sûr des quantités très différentes de celles de l'industrie du vélo. L'aile d'un avion contient quelques tonnes de matériau. Nous n'achetons pas non plus notre préimprégné en Asie - ce qui ne serait probablement pas plus avantageux. La fabrication du préimprégné est l'une des clés du bon fonctionnement ultérieur de la pièce, car la résine des pièces en carbone fait office de colle. Si l'on utilise une mauvaise colle, il est impossible d'obtenir un assemblage solide. La meilleure fibre de carbone n'a aucune valeur avec une résine de mauvaise qualité ou un mauvais processus d'imprégnation. C'est pourquoi nous misons sur une qualité de préimprégné étroitement surveillée en provenance d'Europe.
4. d'où proviennent les matières premières utilisées pour les préimprégnés de carbone ?
Les fibres de carbone proviennent le plus souvent de fabricants japonais. Toray, Toho Tenax et Mitsubishi sont les trois principaux acteurs. Les bobines de fibres sont achetées par un imprégnateur ou un tisseur. Là, elles sont associées à de la résine, qui provient généralement de grands groupes chimiques. La matière première préimprégnée ainsi obtenue peut ensuite être transformée.
5. existe-t-il des fabricants de cadres qui produisent leur propre préimprégné ?
Certains producteurs asiatiques, comme Giant, fabriquent leurs préimprégnés en interne. Pour que cela soit rentable, certaines quantités doivent être transformées, car il s'agit d'un investissement important, même pour les grands fabricants. Mais aucune marque de vélo ne fabrique elle-même les fibres de carbone.
Prix et concurrence
6. qu'est-ce qui explique le prix plus élevé d'un cadre en carbone par rapport à un cadre en aluminium ?
La matière première est déjà plus chère qu'un jeu de tubes en aluminium, par exemple. Mais la majeure partie des coûts supplémentaires s'explique par la valeur ajoutée. Dans le processus de fabrication, les heures de travail manuel sont le facteur de coût le plus important. Cela vaut en principe aussi bien pour la production en Europe que pour la production en Asie, mais dans des proportions différentes. Dans notre production en Allemagne, les matières premières ne représentent qu'un faible pourcentage des coûts.
7. comment s'expliquent les grandes différences de prix des pièces en carbone ?
Un produit bon marché en provenance d'Asie sera également toujours plus simple à fabriquer. Outre la quantité de travail manuel, le prix peut également être influencé par le choix des fibres. Les pièces en carbone standard sont composées des fibres les moins chères disponibles. Les fibres dites à haut module possèdent une plus grande rigidité et peuvent être quatre ou cinq fois plus chères à l'achat que le standard. Entre ces deux extrêmes, il existe bien sûr une multitude d'autres fibres sur le marché.
8. le carbone est-il toujours meilleur que l'aluminium ?
On ne peut pas le dire de manière aussi générale. Cela dépend toujours de l'application. Par exemple, les caractéristiques techniques d'une potence en carbone ne seront pas aussi bonnes que celles d'une potence en aluminium de conception légère. Une combinaison de potence et de guidon en carbone, qui remplace un assemblage par serrage par une construction monobloc, est une variante plus judicieuse. Le carbone offre autant de liberté dans la conception et montre ses meilleurs avantages lorsque les fonctions sont combinées.
De léger à super léger
9. pourquoi certains cadres en carbone sont-ils nettement plus légers que d'autres ?
Outre les fibres utilisées, le poids final dépend fortement du savoir-faire du producteur en matière de traitement. Celui qui doit travailler selon la devise "beaucoup aide beaucoup" n'exploite pas pleinement son potentiel.
10. quels compromis faudrait-il faire pour fabriquer des pièces en carbone extrêmement légères ?
La sensibilité que l'on attribue au carbone dépend fortement de sa fabrication. Si l'on réduit toujours plus l'épaisseur des parois, les produits se cassent tôt ou tard, par exemple à cause d'influences extérieures. Nous pourrions nous aussi alléger considérablement nos produits. Du point de vue de l'utilisation, ils seraient même toujours aussi durables. Mais l'utilisation ne se fait pas toujours dans des conditions idéales. Tous les motards ne sont pas des professionnels accomplis et ne suivent pas toujours la ligne idéale. Les chutes et les atterrissages ratés en font partie, tout comme le fait qu'un vélo tombe sur le parking. Pour un cadre d'enduro, il faut tout simplement savoir qu'il peut aussi faire une sortie dans la forêt dans un bikepark. Il faut en tenir compte lors de la construction. Un VTT doit être suffisamment sûr pour arriver en bas même après un tel incident.
Rigidité et réparation
11. quelles sont les vis de réglage qui influencent la rigidité d'un cadre en carbone ?
Le choix des fibres a déjà une influence sur la rigidité. Pour obtenir le maximum sur un vélo de course, par exemple, on peut utiliser des fibres très rigides. Mais le carbone me permet aussi de régler certaines flexibilités. Si je veux obtenir du confort dans mon cadre, je travaille sur l'orientation des fibres. Je retire alors un peu la fibre de son chemin de charge. Les pièces de vélo sont toujours en mouvement. Chaque tige de selle, chaque guidon est déplacé des millions de fois en roulant. Le carbone résiste bien mieux à cela que le métal. Autrefois, on disait qu'un guidon léger en aluminium devait être remplacé après une saison. Même un guidon en carbone bien fabriqué peut normalement être utilisé sans crainte pendant huit, neuf ou dix ans, sans chute grave.
12. est-il possible de réparer une pièce en carbone endommagée ?
C'est possible et tout à fait justifié. En fait, presque toutes les pièces en carbone peuvent être réparées. Il y a quelques réparateurs qui font vraiment du bon travail, qui peuvent rétablir la résistance d'origine et aussi l'aspect visuel. Mais parfois, la question de la rentabilité se pose.
D'où vient le carbone ?
13. le carbone est-il le Saint Graal des matériaux pour cadres ou verrons-nous à l'avenir des matériaux encore plus performants ?
Si l'on ne considère que la performance, le carbone est de loin le meilleur matériau. Le rapport entre le poids, la rigidité et la résistance à la fatigue d'un cadre en carbone bien conçu est extrêmement bon. Aucun matériau métallique ne peut rivaliser avec cela. Actuellement, aucun matériau n'est en mesure de remplacer le carbone dans les dix prochaines années.
14. chaque fabricant de cadres possède-t-il sa propre production de carbone ou proviennent-ils tous de la même usine ?
En Extrême-Orient, il y a de bons gros acteurs qui produisent des cadres pour de très nombreuses marques de vélos. En fait, en Asie, seuls Giant et Merida ont leur propre production. Certaines marques font également fabriquer différents modèles par différents fabricants. Cela peut s'expliquer par des raisons stratégiques, car tous les fabricants ne maîtrisent pas tous les processus de la même manière. Par exemple, certaines entreprises se sont spécialisées dans la fabrication de cadres légers pour vélos de course, tandis que d'autres sont plus performantes dans le domaine des cadres d'enduro tout suspendus.
15. pourquoi la production de pièces en carbone est-elle si géographiquement centrée ?
Ce centrage est historique. Autrefois, l'industrie de production des vélos était également implantée en Europe et aux États-Unis. A un moment donné, la production a migré pour des raisons de coûts. Le travail manuel bon marché permet d'obtenir des prix avantageux. En Asie aussi, les producteurs déménagent régulièrement dans le pays le moins cher suivant sans changer le processus de fabrication proprement dit. La production à grande échelle d'articles de sport en carbone n'a jamais existé en Europe, mais uniquement en Asie. C'est pourquoi le savoir-faire correspondant a toujours été disponible en Europe.
16. quels sont les avantages de la fabrication de cadres en carbone en Allemagne ?
La production en Allemagne peut être un avantage en termes de qualité. Ce n'est pas toujours le cas et cela dépend bien sûr du savoir-faire de chaque entreprise. Mais pour notre marque, il est important de développer nous-mêmes des pièces de vélo et de les fabriquer nous-mêmes au même endroit. On a ainsi une influence directe sur la qualité et on peut la surveiller en permanence. Cela permet d'obtenir des performances élevées pour le produit. En tant qu'ingénieur, il est important pour moi de participer au contrôle de la production.
Durabilité et soins
17. à quel point les mêmes pièces en carbone seraient-elles moins chères à produire à Taïwan plutôt qu'en Allemagne ?
Il n'est pas possible de dire si, au final, les produits seraient effectivement les mêmes. Si l'on faisait produire des pièces par un prestataire de services, on devrait probablement payer au maximum la moitié. Mais même si nous réduisions les coûts de production de moitié, il ne faut pas oublier le contrôle de la qualité. Il y aurait d'autres coûts avant la livraison.
18. quel est l'impact environnemental du carbone par rapport à l'aluminium ?
En soi, le carbone n'est pas aussi mauvais qu'on le dit. La production est très efficace en termes de matériaux. Lorsque nous découpons un mètre carré de matériau brut en carbone, nous en utilisons plus de 90 pour cent. Les préimprégnés découpés sont à leur tour transformés en pièces à 100 pour cent. En outre, la production est moins gourmande en énergie que celle de l'aluminium. Par exemple, les cadres en carbone, contrairement à ceux en aluminium, ne doivent pas être traités dans des fours de trempe. En outre, le carbone possède une très grande résistance à la fatigue. Un cadre en carbone bien conçu peut être utilisé sans problème pendant 20 ans. Avec un cadre en aluminium léger, on subit une forte fatigue au cours de la durée de vie. La résistance diminue et la sensibilité aux défauts augmente. Pour l'avenir, la recyclabilité du carbone offre encore un potentiel. Actuellement, de nombreux efforts sont faits pour réutiliser le carbone recyclé dans des pièces presque équivalentes. Mais le chemin à parcourir est encore long.
19. quels sont les défis du recyclage du carbone ?
Il y a à mon avis deux grands défis à relever. Le premier est de trouver un procédé énergétiquement efficace pour séparer les fibres de la résine. Le deuxième grand obstacle est de ne pas faire du downcycling avec les fibres obtenues en les broyant, mais de fabriquer à nouveau des composants de performance, c'est-à-dire de transformer un guidon en un autre guidon. Il s'agirait alors d'un véritable recyclage.
20. les pièces en carbone nécessitent-elles un entretien particulier ?
En fait, non. La résine époxy dans laquelle sont noyées les fibres de carbone est en soi très résistante aux produits chimiques. Même les nettoyants agressifs sont plutôt nocifs pour les pièces métalliques impliquées ou peuvent attaquer la peinture. Mais le matériau en carbone ne se dissout pas et est très robuste.
Conclusion
La production de carbone me fascine. Je trouve surtout passionnantes les différences de matériau et de fabrication. Pour le cycliste lambda, cette merveille noire soulève de nombreuses questions auxquelles il est toutefois possible de répondre. Si l'on veut un cadre de vélo léger, rigide et moderne, le carbone est en fait incontournable. C'est surtout dans le domaine du haut de gamme qu'il est possible d'obtenir des constructions radicales. - Jan Timmermann, rédacteur de BIKE
Jan Timmermann
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