Notre approche: La technologie du carbone

Comme la plupart des vélos de haute performance, les cadres de Argon 18 sont faits d’un composite à base de fibres de carbone. Les caractéristiques de performance et de sécurité de nos vélos reposent sur les propriétés structurales de la fibre de carbone, ainsi que sur la qualité des analyses comparatives, des essais et des simulations. Le tout, dans une démarche d’ingénierie structurale. Joffrey Renaud, ingénieur principal en composites, et Pierre Legay, analyste en structure et CFD, vous invitent dans nos coulisses afin de mieux comprendre cet élément essentiel de notre processus.

Quelles sont les caractéristiques d'un composite à base de fibres de carbone?

Tous les vélos en «carbone» sont faits d’un composite: un mélange de fibres de carbone intégré dans une matrice de résine époxy. Les fibres de carbone sont regroupées pour former de fines couches, que nous appelons «plis», à l’intérieur de la matrice époxy. Les fibres de carbone sont utilisées pour leur forte rigidité et leur grande résistance obtenues par l’orientation des fibres, ainsi que pour leur faible densité. La matrice en résine maintient ensemble ces fibres longues et minces afin que nous puissions nous en servir efficacement pour la conception de nos produits. Les différents types de fibre de carbone offerts permettent d’obtenir des caractéristiques structurales distinctes. Cela dépend de la disposition des fibres dans la résine. Celles-ci peuvent être tissées, unidirectionnelles ou organisées en mat*. Pour la fabrication de vélos, la disposition unidirectionnelle est la plus courante. Premièrement, cette disposition se traduit par un matériau plus léger que si les fibres étaient tissées ou en mat. Cela nous permet aussi de placer en ordre les fibres de différentes orientations plus librement afin de répondre à un critère de performance précis. Par exemple, pour optimiser la rigidité à la base du pédalier, nous utiliserons des plis de composite dont les fibres sont orientées dans la direction du tube diagonal. Avec des fibres tissées ou en mat, nous n’aurions pas la possibilité d’ajuster l’angle des fibres tout en limitant le poids. De plus, nous ne pourrions pas contrôler avec précision l’angle des fibres dans la résine. Toutefois, nous employons des plis tissés pour les sections du cadre qui seront usinées, notamment à proximité des fixations de porte-bidons ou des guides de câble. Cela permet d’obtenir un meilleur fini. Comme les plis unidirectionnels ont des propriétés plus fragiles perpendiculairement à la direction de la fibre, les pièces de vélo en carbone sont toujours le fruit d’une variété de plis obtenus à l’aide de fibres placées dans différents sens. Le but étant que le matériau soit renforcé de partout.

*tissu de fibres disposées de façon aléatoire

Comment choisissons-nous le type de fibre de carbone à utiliser?

Les différents types de fibre de carbone proposent différents degrés de rigidité ou de résistance, et comme pour tous les matériaux, les prix diffèrent aussi. Même le composite d’un cadre haut de gamme comporte diverses catégories de fibre de carbone assemblées en fonction du design, de la performance et des exigences en matière de sécurité. Le stratifié est un agencement précis de plis de composite, ou couches, permettant de réaliser un concept de vélo spécifique. Il s’agit d’instructions détaillées portant sur la position du pli, l’orientation des fibres et le type de matériau à utiliser dans le processus de fabrication. Si vous lisez qu’un nouveau modèle de vélo possède un tout nouveau stratifié, cela signifie que plusieurs caractéristiques du vélo ont été améliorées à l’aide d’une nouvelle combinaison de plis provenant de différents types de fibre de carbone, d’une nouvelle orientation des fibres ou de la géométrie. Le stratifié est très détaillé. Par exemple, pour un vélo de course léger, le triangle avant nécessitera à lui seul plus de 120 plis.

Comment déterminons-nous et évaluons-nous les indicateurs de performance?

Sous forme de simulation, l’analyse des éléments finis (FEA) sert à prédire les caractéristiques de performance et de sécurité d’un stratifié spécifique. Cela nous permet de mesurer le degré de stress que subiront les différentes sections du cadre de vélo, et de remédier à toute déformations sous des cas de charges spécifiques en modifiant l’assemblage des plis ou la géométrie des tubes. Ces simulations nous aident à anticiper les caractéristiques du cadre très tôt dans le processus de conception et à atteindre des objectifs précis liés à la performance (poids, rigidité, robustesse). Les simulations effectuées sur un cadre comprennent plus de 10 types de charge, question de reproduire les différentes sources de stress éprouvées sur la route, notamment dans les courbes, quand le coureur est debout sur les pédales ou en situation de sprint. Ces tests sont également menés en fonction des critères de performance souhaités pour chaque section de vélo. Par exemple, les critères de performance du tube de direction sur la route sont différents de ceux du boîtier de pédalier. Il y a également un équilibre à maintenir entre certaines sections clés du cadre. Entre autres, c’est le cas entre la rigidité du boîtier de pédalier et la rigidité verticale. La rigidité du boîtier de pédalier est nécessaire pour donner lieu à de hautes performances en situation de sprint, mais une souplesse verticale est requise pour un degré élevé de confort. Le processus de simulation nous permet de préciser le choix du matériau, ainsi que l’orientation et la disposition des plis pour chacune de ces sections clés. C'est ce qui détermine le niveau de maniabilité et de performance d’un vélo.


Les tests portant sur la sécurité et la performance se poursuivent tout au long du processus de conception – il est possible d’en savoir plus sur nos protocoles d’essai ici.

Qu'entendons-nous par «optimisation du stratifié»?

Une solution de design optimisée donne le meilleur résultat possible lorsqu'une contrainte est appliquée à un ensemble de variables. Par exemple, les variables liées à la conception d’un cadre comprennent le nombre de plis et la position de ceux-ci dans le stratifié, les matériaux utilisés et la forme des tubes. Pour leur part, les contraintes proviennent des objectifs spécifiques que nous désirons atteindre, en ce qui concerne notamment la rigidité et la robustesse.

Par exemple, si notre but est d’optimiser le stratifié sur un segment du cadre afin d’atteindre un certain poids:

Objectif: réduction de poids

Variables: nombre, disposition, choix du matériau des plis de composite

Contraintes:

  • Bonne rigidité au boîtier de pédalier
  • Bonne tenue verticale
  • Tous les critères de sécurité

Processus: 100 à 200 analyses

Ou encore, pour optimiser la forme d’un guidon de sprint sur un vélo de piste comme l’Electron Pro:

Objectif: réduction du poids et de la surface frontale pour une meilleure performance aéro

Variables: forme des tubes

Contraintes:

  • Rigidité très élevée
  • Tous les critères de sécurité

Processus: 50 à 100 analyses

Notre travail auprès du CDCQ

Nous travaillons en collaboration avec le Centre de développement des composites du Québec (CDCQ) afin de raffiner nos procédés de fabrication et d’approfondir nos connaissances pratiques en matière de technologie et de production à partir de fibres de carbone. Ce projet comprend la fabrication de prototypes de cadre et implique la participation de notre équipe en R&D à chacune des étapes: création du stratifié, conception de tous les outils requis pour la fabrication, dont les mandrins et le gabarit du stratifié, la pose des plis, les tests et la validation du cadre obtenu.

Grâce à ce travail, nous comprenons mieux à quel point notre processus de conception doit tenir compte des contraintes et réalités de fabrication. Cela nous a permis de raffiner notre sélection de plis, la conception du stratifié et les tests de sécurité. Si vous le désirez, vous pouvez en lire plus à ce sujet et découvrir de quelle façon ces connaissances avancées sur les composites influencent notre prototypage et nos procédés de fabrication.

Quel rôle occupe le stratifié dans notre gamme de vélos?

Pour la plupart des catégories, notre gamme propose trois niveaux de performance : Pro, Élite et Cyclosportif. Entre autres, dans notre catégorie route-performance, vous trouverez les vélos Gallium Pro, Gallium et Gallium CS. Chaque niveau de performance comprend des exigences en matière de stratifié, et chaque catégorie de vélo comporte son lot de caractéristiques uniques. Par exemple, un vélo gravel de calibre Élite requiert un stratifié différent de celui d’un vélo de triathlon ou d’un vélo de route de même niveau. Le stratifié en carbone d’un Gallium Pro doit répondre aux critères et aux attentes d’un coureur du World Tour qui passe de longues heures en selle chaque jour. De son côté, l’Electron Pro doit satisfaire les cyclistes de piste et leurs exigences en matière de rigidité, eux qui déploient une force plus de trois fois supérieure à la plupart des tests normalisés. Autrement dit, bien que nous ayons trois niveaux de stratifié en carbone qui correspondent à nos niveaux de performance, notre façon de les utiliser variera d’un cadre à l’autre, et ce, pour chaque segment de modèles. Chaque modèle possède ses propres paramètres de performance établis selon l’usage auquel le vélo est destiné et doit offrir un rendement au sommet de sa catégorie.

Le niveau de stratifié de carbone influence-t-il le prix d'un vélo?

Le prix d’un cadre dépend du type de matériaux utilisés, du temps de développement et de la complexité du processus de fabrication. Les vélos de performance très légers comme le Gallium Pro sont faits d’un composite à base de fibres de carbone plus dispendieuses. Davantage de plis sont nécessaires et ceux-ci sont plus petits, ce qui demande une pose très précise. Ces vélos requièrent également beaucoup de temps en développement pour optimiser le stratifié et répondre aux objectifs de performance. Toutefois, comme le Gallium CS bénéficie du temps en R&D investi au préalable dans le Gallium Pro, le CS peut être offert à moindre prix. De plus, comme le Gallium CS n’est pas conçu pour être un vélo ultraléger, la quantité de fibres de carbone légères et dispendieuses utilisées pour sa fabrication est inférieure à celle du Gallium Pro. Le temps de production joue aussi un rôle significatif en ce qui concerne le prix du cadre. Le Pro est fait de plis aux formes complexes, ce qui augmente considérablement le temps de fabrication du stratifié. Pour obtenir une rigidité et une résistance équivalentes à partir de fibres de qualité inférieure, le CS a besoin d’un plus grand nombre de plis ayant des formes simples et qui s’assemblent rapidement. Résultat: nous sommes en mesure de proposer un vélo qui comprend plusieurs des technologies et caractéristiques de performance de la version Pro, mais à prix plus abordable.