La F1 et le carbone
© McLaren - Le carbone est devenu incontournable en F1

La F1 et le carbone

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© McLaren - Le carbone est devenu incontournable en F1

Pour les spectateurs du championnat de monde de Formule 1, il est impossible de passer à côté de l’équipe McLaren, pilier du championnat du monde depuis des décennies. Si tout le monde connaît cette équipe qui a souffert en 2015 de soucis liés au retour de Honda, le motoriste partenaire historique de l’équipe, beaucoup moins nombreux en revanche sont ceux qui savent que McLaren a révolutionné la Formule 1 au début des années 1980.

En effet, sur le circuit de Buenos Aires ce dimanche 12 avril 1981, outre la victoire de Nelson Piquet qui sera sacré en fin de saison, un événement est passé presque inaperçu, il s’agit de la première apparition en course d’une monocoque en fibre de carbone, la Marlboro-McLaren MP4/1.

C’est dans un contexte troublé que débute cette saison 1981. Car après le refus d’homologation de la Lotus 88 et son ingénieux système de double châssis par la FISA, c’est le dévoilement du système de suspension hydro-pneumatique de la Brabham BT49C qui agite le paddock. Ce système permet de s’affranchir en course de la règle imposant une garde au sol minimale de 6cm, pour bénéficier ainsi d’un maximum d’effet de sol et plaquer la monoplace à la piste bien plus efficacement que toutes ces concurrentes. Pour l’anecdote, à cette époque, le patron de l’écurie Brabham était un certain Bernie Ecclestone.

Très rapidement cette solution de coque en carbone sera adoptée par toutes les équipes du Formula One Circus comme on l’appelait en ce temps là. Nous allons remonter un peu l’histoire automobile pour survoler l’évolution des châssis de Formule 1.

A l’origine il s’agissait de châssis en acier en forme d’échelle, qui seraient de nos jours à peine dignes de véhicules utilitaires. Rapidement, vers le milieu des années 50,les constructeurs introduisirent des châssis de type « Space Frame » constitués de tubes d’acier assemblés par soudure. Progressivement les alliages d’aluminium prirent de plus en plus de place sur ces châssis. Il s’agissait au début de simples tôles d’aluminium rivetées en renforts sur les tubes des châssis, pour finir au début des années 80 avec des panneaux sandwich composés d’une âme alvéolaire(des feuilles d’aluminium en forme de nid d’abeille) collée entre deux fines peaux d’aluminium. Ces panneaux sandwich sont légers et très rigides, ils conviennent parfaitement à leur emploi en Formule 1. Ils ont cependant deux défauts, ils sont plans, ils ne peuvent pas adopter de formes courbes, et ils sont difficiles à assembler. Il est par exemple impossible de les souder. La solution d’assemblage adoptée le plus souvent était d’utiliser une cornière d’aluminium qui était collée et rivetée aux panneaux sandwich.

C’est donc une révolution que McLaren met en piste en début d’avril 1981, la fibre de carbone remplace l’aluminium utilisé pour la peau des panneaux sandwich. La souplesse de mise en œuvre de la fibre de carbone permet de mouler les châssis de Formule 1 en une seule pièce, ce sont de véritables monocoques.

La fibre de carbone n’est pas le plus courant, mais probablement le plus connu des matériaux composites.
Les matériaux composites, sont composés de deux éléments au moins. Une fibre appelée « renfort »
et une matrice qui est généralement une résine synthétique. Le rôle de cette matrice est d’assurer la cohésion des renforts, tous en distribuant entre eux les efforts aux quels sont soumis les éléments en composites. Les fibres les plus connues sont les fibres de verre, les fibres aramides (nom commercial Kevlar) et bien entendu les fibres de carbone. Il existe d’autres fibres synthétiques comme le Zylon utilisé depuis début 2015 pour fabriquer des panneaux anti-intrusion qui entourent les monoplaces, d’autres fibres d’origine minérale comme la fibre de basalte, de céramique ou bien encore des fibres végétales comme la fibre de lin, et même la cellulose bien que cette dernière n’ait pas d’application dans les composites en sport automobile.

La fibre de carbone

Fibre de carbone
La fabrication de la fibre de carbone a pour base le PAN, acronyme du polyacrylonitrile, un plastique de la famille des acryliques connu dans sa « version » textile sous le nom de Dralon. Les très fins filaments de PAN sont transformés en trois étapes en fibres de carbone : le PAN est oxydé en le chauffant vers 250°C, le PAN est ensuite carbonisé en le chauffant ensuite sous atmosphère neutre(absence d’oxygène) entre 1000 et 1500°C, enfin une dernière étape de chauffe au delà de 2000°C assure la graphitisation du carbone. Les durée et les températures variables de ces étapes permettent d’obtenir une gamme de fibres de carbone aux caractéristiques souhaitées de rigidité et de résistance à la traction. Les fibres de carbones sont assemblées en brins de 1000, 3000 ou 12000 filaments dans la plupart des cas. Ces brins sont ensuite tissés ou conditionnées en nappes pour obtenir des tissus manipulables.

Les matrices

La matrice quant à elle peut être de plusieurs types. Les plus connues étant les résines synthétiques comme les résines polyester, époxydes, phénoliques, acryliques. Les matrices peuvent également être de type métalliques, on a vu dans le passé des alliages d’aluminium renforcés de fibre de bore, ou même des céramiques, ces matériaux étant interdits en Formule 1 depuis plusieurs années. Enfin il existe des composites carbone à matrice carbone, il s’agit des disques et des plaquettes de freins utilisés en Formule 1.

Nous ne développerons pas la fabrication des résines synthétiques, car il existe trop de formulations différentes, mais il faut retenir qu’il s’agit le plus souvent d’une matière visqueuse bi-composant qui après le mélange de ces deux composants durcit sous l’action de la chaleur ou des rayons ultra-violets.

La mise en œuvre

En Formule 1, la résine la plus employée est du type époxyde, elle assure une bonne résistance mécanique au composite qu’elle constitue, vient ensuite la résine phénolique qui est principalement utilisée pour des éléments affrontant les températures élevées(150°C et plus).

Les composites carbone à matrice époxyde sont mis en œuvre de diverses manières.

La plus simple est le moulage dit « au contact » : on dispose dans un moule préalablement traité avec un démoulant, une ou plusieurs couches de fibre de carbone qui sont imprégnées avec une résine liquide. On peut démouler la pièce quand la résine a durci(ce temps peut prendre 24h à température ambiante, ou moins d’une heure si on chauffe à 150°C).
Ce procédé peut être mise ne œuvre très facilement car il ne demande que très peu d’outillage. C’est le composite fait dans son « garage », accessible à tous.

Il existe également le moulage dit « au sac » : le principe de base est identique au moulage au contact, mais après le drappage de la dernière couche de tissu, on ajoutera un film démoulant puis un feutre drainant avant d’emballer le tout dans un « sac » étanche en matière plastique dans lequel on aspirera tout l’air à l’aide d’une pompe. La dépression dans le sac, conjuguée à la pression atmosphérique produit une pression régulière sur l’ensemble de la pièce moulée. Cette pression permet un meilleur compactage des couches de carbone. Cela permet également de baisser la quantité de résine pour obtenir un composite très performant. Ce procédé, ne nécessite que peu de matériel, il est néanmoins plus complexe à maîtriser que le moulage au contact.

L’infusion : on change radicalement de principe, on dispose les couches de tissus secs dans le moule, on emballe dans le même sac que pour le moulage au sac, on aspire tout l’air qui est à l’intérieur avec une pompe. On dispose la résine liquide dans un récipient raccordé au sac par un ou plusieurs tuyaux fermés par de robinets. Quand on ouvre les robinets, la résine est aspirée par le vide, et elle s’infuse au travers des tissus. Complexe et difficile à mettre en œuvre, c’est le principe préféré pour le moulage de grandes pièces, telles que des pales d’éoliennes.

Le « pré-imprégné », dans ce cas les tissus sont imprégnés au préalable avec une résine très visqueuse. Les rouleaux sont conservés dans des congélateurs. A la sortie du congélateur, la résine commence à durcir très lentement. L’ensemble tissu plus résine a une consistance proche d’une fine couche de cuir, on peut le découper très facilement avec un cutter. Il suffit alors de draper les couches de tissus dans l’ordre et le sens déterminé. On emballe la pièce dans le même sac que précédemment, mais la forte viscosité de la résine ainsi que la faible réactivité de la résine aux températures ambiantes imposent l’utilisation d’un four autoclave pour faire durcir la pièce. La pression élevée qui règne à l’intérieur lors de la cuisson permet un compactage correct des couches de tissus malgré la viscosité élevée de la résine. C’est le principe de moulage utilisé en Formule 1 et en aéronautique, car il est le plus facilement re-productible. Paradoxalement, c’est celui qui nécessite le moins de savoir faire ou de dextérité manuelle, c’est aussi le plus coûteux.

Enfin il existe des procédés moins répandus comme l’enroulement filamentaire qui permet de produire des tubes ou des bouteilles de gaz par exemples, ou encore l’injection.

Les composites carbone/carbone

Dans ce cas le renfort et la matrice sont tous les deux en carbone. En Formule 1, ce sont principalement les disques de freins qui sont fabriqués avec ce matériau. La fibre de carbone est tricotée ou tressée en trois dimensions pour obtenir une forme proche du produit fini. Cette forme est imprégnée de brai, un résidu de distillation du pétrole proche du bitume. La forme subit alors les mêmes opérations de transformation que le PAN pour devenir carbone, dont la carbonisation à 1250°C sous atmosphère neutre (azote principalement et absence d’oxygène). La pièce devenue solide est débarrassée de la croûte qui s’est créée à sa surface et les opérations d’imprégnation et de carbonisation sont répétées jusqu’à obtenir l’homogénéité souhaitée. Également imprégnée de silicium liquide pour augmenter sa résistance à l’abrasion, la pièce peut alors subir l’opération de graphitisation sous une température dépassant généralement 2000°C. Après refroidissement, la pièce peut alors être usinée aux côtes définitives en vue de son utilisation.

Notion de sandwich

Comme évoqué plus haut, on ne peut parler des matériaux composites sans parler du sandwich.
Le principe du sandwich est d’intercaler entre deux peaux de composites une âme constituée d’un matériau léger et incompressible. En formule 1, l’âme courante est le nid d’abeille en Nomex (une sorte de papier imprégné de résine phénolique) qui côtoie le nid d’abeille d’aluminium très courant depuis les années 1980. Une autre âme de sandwich peu connue et pourtant utilisée pour fabriquer le plancher des Chevrolet Corvette est le balsa, oui le bois peut être associé aux hautes technologies. Pour finir, on peut dire que la rigidité d’une pièce est multipliée par 27 quand son épaisseur est multipliée par 3. Le surplus de poids apporté par l’âme est donc négligeable face au gain de rigidité.

La fibre de carbone et ses avantages

Outre sa faible densité la fibre de carbone est très résistante en traction et en compression, de plus elle est très rigide. Un pièce en fibre de carbone sera facilement 4 fois plus rigide que son homologue en alliage d’aluminium ou 10 fois plus rigide que son homologue en acier, tout ça à poids égal. Face aux autres matériaux disponibles, les matériaux composites procurent un grand avantage, car il est possible dès la conception d’une pièce, d’opposer directement les fibres qui la compose aux efforts auxquels sera soumise la pièce. Le choix des fibres, des tissus et de leur orientation, offre une très grande liberté de conception des pièces en composites. Plus simplement, il n’y a pas de gaspillage de matériau contrairement aux métaux qui à quelques exceptions près (comme le forgeage) offrent globalement la même résistance dans toutes les directions .

Évolutions

Si l’offre des matériaux, matrices autant que renforts, est relativement stable depuis de nombreuses années, de récentes évolutions élargissent les possibilités d’applications des matériaux composites.
Certaines concernent la mise en œuvre, les nouveautés en termes de prototypage rapide ou de création d’outillage permettent de nos jour de réaliser une nouvelle pièce en composites dans le court délai de 3 jours, fabrication du moule incluse ou encore, diverses solutions d’impression 3D permettent de mettre en œuvre de la poudre de graphite ou du carbone sous forme de fibres longues en s’affranchissant de la fabrication d’un moule.
Enfin le monde de l’infiniment petit, des nano tubes de carbone de quelques microns, côtoie le monde du très grand avec ses fibre soufflées très larges que l’on peut voir fleurir sur les capots moteur de nombreuses monoplaces.
La Marlboro-McLaren MP4/1.

En 1981, l’ensemble des monoplaces du championnat voyaient une carrosserie recouvrir leur châssis.
Par ce point, la MP4/1 équipée du V8 3 litres Ford Cosworth, ne se distinguait pas de ses concurrentes, sa coque carbone novatrice était moulée autour d’un moule mâle, en forme de poinçon. Comme on peut le voir sur la photo de la coque nue ci-après, l’aspect extérieur de la coque souffrait de défauts de surface incompatibles avec un usage en carrosserie.
Il faudra attendre plusieurs années, et l’intégration complète des amortisseurs et autres éléments de suspension pour que la coque assure également la fonction de carrosserie.

Pour ce que retiendra l’histoire, ce samedi 11 avril 1981, John Watson se qualifie en 11eme position, loin devant son équipier Andréa de Cesaris qui ne disposait pas du nouveau châssis.
Le lendemain John Watson abandonna à mi-course, victime d’importantes vibrations. Le 18 juillet de la même année, John Watson remportera le Grand Prix d’Angleterre à Silverstone, le règne du carbone en Formule 1 était venu.

Contenu écrit par Patrice Véronel et diffusé par www.FranceF1.fr
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    Jihef, 18 Feb. 2016, 12:22

    Merci pour cet article


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