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Les matériaux composites au service de la musique et du sport

Par Yves Therrien, collaboration spéciale

À une certaine époque, un bon soudeur pouvait créer des vélos dans son garage. Un luthier pouvait créer un violon dans son établi. Avec l’avènement des matériaux composites, il faut plus qu’un bon soudeur ou un bon luthier pour créer des objets performants, légers, résistants. Cela prend des ingénieurs et des chercheurs spécialisés dans l’optimisation d’une multitude de paramètres pour obtenir les résultats escomptés.

« Fabriquer un vélo avec du métal, c’est plus simple que d’en créer un avec des matériaux composites. On peut amincir le métal pour plus de légèreté, mais avec un produit multicouche en fibre de carbone, ça prend presque qu’un laboratoire d’aéronautique et la science de l’optimisation des paramètres pour obtenir la solution optimale. Sans compter tout l’équipement dispendieux de fabrication. Mieux vaut avoir un centre de prototypage que de tenter de tout fabriquer soi-même »,
estime le professeur-chercheur Larry Lessard.

Au fil des ans, outre l’enseignement et ses recherches en aéronautique à l’Université McGill, M. Lessard a développé des projets en fonction de ses intérêts personnels, notamment pour les bâtons de hockey en fibre de carbone, les instruments de musique ou encore les pièces pour les vélos en matériaux composites.

L’idée de base avec les objets était de les alléger et d’améliorer leurs performances. Il donne l’exemple de la table d’harmonie en matériau composite sur le dessus du violon alors que la caisse de résonnance est en bois.

LA MUSIQUE

« Il est important de bien travailler la table d’harmonie », explique M. Lessard. « Un violon qui vaut 200 $ a été considérablement amélioré avec une table d’harmonie en fibres de carbone. Le problème avec le bois, c’est que la composition n’est pas toujours égale : il peut y avoir des manquements, des parties plus dures. C’est très difficile d’avoir la pièce de bois idéale. Il est important que le bois ait certains défauts, c’est ce qui donne la couleur du son. »

En donnant l’exemple des violons italiens du XVIIe siècle, que les musiciens de haut niveau adorent et qui valent dans les 20 millions de dollars, il ajoute que les frais d’entretien et de réparation coûtent une fortune. Cependant, un violon en matériau composite de milieu de gamme peut être utilisé dehors et résister à l’humidité tout en ayant une très bonne sonorité.

M. Larry Lessard (au centre) présente des ukulélés

« On peut trouver un très bon design pour fabriquer un violon qui vaudrait environ 5 000 $ et qui joue comme un autre à 50 000 $, continue M. Lessard. Par contre, on ne pourra pas remplacer un violon haut de gamme, car c’est le bois avec ses défauts qui donnent les particularités et les nuances sonores. On ne peut pas reproduire ça avec d’autres matériaux. Les fibres de bois ont un sens que l’on a tenté d’imiter dans nos recherches avec le positionnement des fibres de carbone pour reproduire la rigidité, les fréquences naturelles, l’amortissement. Nous avons travaillé sur une dizaine de paramètres pour avoir un matériau remplaçant le bois. »

Ukulele lin Lessard
Ukulélé en lin et résine polymère (biosourcée)
Tambour Chenda carbone et lin Lessard
Tambour Chenda carbone et lin
drum carbone kevlar cobasox Lessard
Tambour en kevlar cobasox

Le chercheur a fabriqué les pièces en laboratoire et c’est un luthier qui a assemblé le violon, incluant les pièces en carbone comme la table d’harmonie, le cordier avec son tendeur et la mentonnière.
Dans une autre expérience, il a fabriqué un ukulele à partir de fibre de lin et de l’époxy à base de produit naturel (époxy vert) pour faire un design le plus proche possible du bois. Entre autres, les recherches visaient à remplacer les bois rares pratiquement en voie de disparition comme l’ébène et le bois de rose pour le manche et les frettes du ukulele. On utilise les mêmes procédés pour la fabrication des manches de guitares en composite.

LE VÉLO

Plusieurs pièces d’un vélo peuvent être en matériau composite. Bien qu’il soit possible de faire un cadre pratiquement tout d’une pièce, des compétitions comme le Tour de France interdisent par règlement ce type de conception : chaque partie doit être unique.

« Avec les techniques de l’aérospatiale, on peut concevoir un cadre d’une seule pièce », souligne-t-il. « On le voit dans la course sur une piste intérieure aux jeux Olympiques. Au Tour de France, il faut un double triangle et non un seul morceau. J’ai travaillé sur les fourches, les potences et les guidons aérodynamiques ou de montagne pour différents fabricants. Il faut regarder différents paramètres comme la rigidité et la torsion par exemple. Trop de rigidité provoque des vibrations, ce n’est pas confortable. J’ai travaillé sur un guidon qui avait 30 % de lin et le reste en carbone. Ça donnait une bonne rigidité, un bon amortissement et une bonne flexibilité pour un coureur en vélo de montagne. »

Il précise que pour un cadre, il faut de la rigidité dans un sens et une capacité de torsion dans une autre direction.

« C’est un travail d’ingénierie complexe pour trouver le bon équilibre lorsque le cycliste pédale avec vigueur ou qu’il frappe une bosse ou un trou. C’est de l’ingénierie multidisciplinaire pour un bon aérodynamisme et les bonnes propriétés mécaniques. Si l’on veut une meilleure torsion, il faut plus de matériel, alors que pour la souplesse, il faut moins de matériel »

précise M. Lessard.

Dans la conception et le design avec les matériaux composites, M. Lessard conclut qu’il faut la science de l’optimisation de nombreux paramètres pour avoir la solution globale optimale.

Source photos: M. Larry Lessard

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