Qui ne se souvient pas des bricolages de papier mâché à l’école primaire ? Des bandelettes de papier journal trempées dans une colle maison à base de farine puis appliquées sur un ballon gonflable. Vous ne le saviez pas à l’époque, mais vous étiez ingénieur en matériaux composites ! Dans l’industrie du vélo, les composites sont généralement des fibres de carbone (le papier journal) unies par une résine d’époxy (la colle).
La fabrication de la fibre de carbone est l’affaire d’un petit nombre d’entreprises qui mettent en œuvre un procédé complexe consistant à chauffer à très haute température un fil de polymère afin d’en brûler tous les éléments sauf le carbone. Le résultat est une fibre à la surface irrégulière de 15 micromètres (μm) de diamètre. Des itérations subséquentes du procédé – qui donc ajoutent au coût – raffinent sa surface, diminuant le diamètre de la fibre jusqu’à 5 μm.
Lorsqu’agglomérées, les fibres de plus petit diamètre forment un filament plus dense et conséquemment plus rigide. Cette rigidité est définie par le fameux terme « module ». Dans le monde industriel, les fibres sont dites à bas module lorsque leur rigidité est de l’ordre de 200 gigapascals (GPa), à moyen module pour une rigidité autour de 290 GPa et à haut module pour une rigidité supérieure à 360 GPa. Cette nomenclature est non réglementée, et par suite propice à toutes formes d’interprétation et de détournement marketing. Il faut aussi savoir que la résistance des fibres est inversement proportionnelle à leur module. Plus elles sont rigides, moins elles sont solides.
Les filaments individuels sont ensuite disposés de façon à former un tissu. La majorité des manufacturiers de vélo utilisent des tissus dits pré-imprégnés, c’est-à-dire enduits d’une quantité de résine qui varie entre 25 % et 50 % de leur poids selon les exigences. Un faible taux de résine est garant d’un plus faible poids et d’une meilleure performance mais demande une fabrication plus méticuleuse, et dès lors plus coûteuse. Le tissu peut être composé de filaments unidirectionnels (UD) – tous disposés selon le sens de la longueur – ou tissés selon différents patrons. La taille d’un brin tissé (appelé tow, en anglais) est définie par le nombre de filaments qui le compose : de 1k pour 1000 fils jusqu’à 50k pour des brins de 50 000 fils, les tissages de 3k à 12k étant les plus communs. Plus le filament est gros, plus le tissu sera résistant, épais et lourd. À cause des entrecroisements de brins, un tissu tressé est moins performant, à poids égal, que de la simple fibre unidirectionnelle. Les tissus tressés sont choisis pour des raisons esthétiques ou pour leur bonne aptitude à épouser des contours serrés d’un moule afin de faciliter la fabrication et par conséquent en réduire le coût.
Les paramètres exposés jusqu’ici (module, taux de résine, tow, tressage ou non) ne caractérisent que la matière première et ne sont en rien garants de la qualité d’un cadre. La majorité des vélos sur le marché étant fabriqués par un très petit nombre de manufacturiers en Asie, nous sommes confrontés au fait que la matière première et les techniques de fabrication sont extrêmement similaires, à prix donné, d’une marque de vélo à l’autre. Les fabricants doivent alors se distinguer par leurs capacités de design et d’ingénierie. C’est ici que le drapage entre en jeu. Sachant qu’un cadre qui se veut sécuritaire se doit d’avoir une rigidité et une solidité minimales peu importe son prix, le choix de la taille, du nombre et de l’orientation des empiècements de fibre qui composent le cadre est le véritable nerf de la guerre. En bas de gamme, la contrainte de prix alloue au concepteur très peu de latitude autre que la forme du cadre ; ces cadres sont fabriqués de quelques dizaines d’empiècements grossiers de fibre de bas module, souvent tressée et comportant un haut taux de résine. Ces choix assurent une bonne solidité au cadre et permettent une fabrication à bon marché. Dans le plus haut de gamme, les concepteurs ont l’opportunité d’optimiser un paramètre de leur design (poids, rigidité, confort, aérodynamisme) sans trop compromettre les autres paramètres. Le cadre peut contenir plus d’une centaine d’empiècements de différents grades de fibre UD à faible taux de résine, dont les formes plus élaborées optimisent la performance du cadre tout en minimisant son poids.
Pour le consommateur, un cadre en composite reste une boîte noire difficilement pénétrable. L’uniformisation des techniques de fabrication et l’absence de transparence de celles-ci ajoutent un bémol important au discours marketing qui vante les avantages techniques d’une marque sur une autre. En fin de compte, rien ne vaut un essai routier pour valider que le vélo convoité répond à vos attentes.
Photos pour référence, en ordre décroissant de solidité et en ordre croissant de coût
12k 3k 1k Unidirectionnel