Tube en fibre de carbone pultrudé contre acier : ce que je dis aux acheteurs avant leur commande

Je travaille dans le domaine des matériaux composites depuis 1989. Initialement par stratification manuelle, puis par pultrusion à partir de la moitié des années 1990 ; j’ai réalisé plus de tirages de profilés que je ne saurais en compter. Chaque semaine, quelqu’un m’appelle avec la même question : « Peut-on remplacer » fibre de carbone extrudée tube le tube en acier utilisé dans leur assemblage par un tube en composite ?

Parfois, la réponse est oui, et sans aucune ambiguïté. Parfois, je les dissuade d’opter pour cette solution, et je perds la commande. Cela ne me dérange pas. Un tube qui cède sur site coûte bien plus cher à l’acheteur et à moi-même qu’un tube que je n’ai jamais vendu.

La masse volumique constitue l’argument central

La masse volumique du CFRP comparée à celle de l’acier est le premier chiffre que je communique. Le polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) se situe entre 1,55 et 1,60 g/cm³. L’acier doux atteint 7,85 g/cm³. L’aluminium, quant à lui, est à 2,70 g/cm³. En remplaçant un tube par un autre de dimensions identiques, on réduit approximativement de 80 % la masse.

Mais personne n’achète réellement de cette façon. Vous redimensionnez autour du matériau, et, dans ce cas, l’économie honnête se situe entre 55 et 70 % pour une rigidité à la flexion égale. C’est encore énorme. Sur un mât de deux mètres, cela fait la différence entre un homme qui le porte seul et deux hommes qui maugréent.

Cet écart explique pourquoi le tube en fibre de carbone pultrudé  apparaît en premier chaque fois qu’un acheteur dispose d’un plafond strict de poids et qu’il ne reste plus aucune marge dans la conception.

Voici la partie que la plupart des fournisseurs omettent. L’acier possède un module de 200 à 210 GPa. Les tubes CFRP pultrudés à module standard affichent, dans le sens axial, un module de 130 à 165 GPa, selon la fraction volumique de fibres. Par kilogramme, le carbone l’emporte d’un facteur d’environ huit. Par unité de section transversale, l’acier est plus rigide. Si votre application est limitée par l’espace plutôt que par le poids, l’acier constitue le meilleur choix, et je le préciserai clairement au téléphone.

Des valeurs de résistance qui ont un sens

La résistance des tubes en fibre de carbone est le domaine où le marketing devient absurde. Les fiches commerciales indiquent 3 500 MPa, car il s’agit de la résistance à la traction des filaments bruts, et non celle du stratifié. Ignorez ces valeurs.

Un profilé pultrudé en fibre de carbone unidirectionnelle véritable, avec une fraction volumique de fibres comprise entre 55 et 65 %, offre une résistance à la traction axiale de 1 500 à 2 400 MPa avec des fils de classe T700. L’acier Q235 présente une limite élastique d’environ 370 à 500 MPa. En divisant par la masse volumique, l’écart de résistance spécifique atteint environ 15 à 20 fois. C’est ce chiffre qui justifie la conception.

La résistance à la traction transversale constitue un cas différent, et c’est une valeur que personne ne publie. Elle se situe probablement entre 30 et 60 MPa, car c’est la résine qui supporte la charge, et non la fibre. La contrainte interlaminée de cisaillement varie de 40 à 70 MPa. C’est là que surviennent les ruptures. tube en fibre de carbone pultrudé en service, un élément échoue presque jamais en traction axiale. Il cède parce qu’une force le comprime latéralement.

Ce que la pultrusion vous apporte, et ce qu’elle vous retire

La pultrusion entraîne des faisceaux continus de fibres à travers un bain de résine puis dans une filière chauffée. Tout s’effectue selon un alignement à zéro degré. Vous obtenez la fraction volumique maximale de fibres accessible dans tout procédé courant, ainsi qu’une rigidité axiale que ne peut égaler aucun tube enroulé manuellement au même prix.

Ce que vous n’obtenez pas, c’est la résistance circonférentielle. Il y a généralement une couche superficielle (veil), parfois un tissu léger à points (stitch mat) dans les sections plus épaisses, et c’est à peu près tout. Le tube enroulé sur rouleau comporte des couches à ±45 degrés. Tube en carbone pultrudé ne le fait pratiquement pas. Il déteste donc la torsion et déteste les charges radiales concentrées.

J’ai vu le mât de 14 mm d’un client se fendre sur toute sa longueur en 2019. Une collier de serrage, serré à l’aide d’un perceuse-visseuse à batterie. Le collier n’a jamais glissé. Le tube a cédé en premier, en résistance circonférentielle, à environ un tiers de la charge qu’il aurait supportée en flexion pure.

Ce bruit vous reste en mémoire.

Choisir une dimension sans se ridiculiser

Le dimensionnement est le domaine où je constate les erreurs les plus coûteuses. Chaque tube en fibre de carbone pultrudé est vendu selon son diamètre extérieur (OD), son diamètre intérieur (ID) et sa longueur ; or, les acheteurs se concentrent sur les deux premiers paramètres, tandis que le troisième détermine si le composant fonctionnera ou non.

Atube en fibre de carbone de 6 mm représente l’extrémité la plus fine du catalogue. Généralement de 6 mm de diamètre extérieur et d’une épaisseur de paroi de 1 mm. Utilisé pour les bras de drones sur les quadricoptères légers, les embouts de tente, les biellettes de modèles réduits radiocommandés (RC) et les liaisons d’actionneurs. À 1 mm, le stratifié est si fin qu’une perceuse maladroite provoque un délaminage sur la face de sortie, sans possibilité de réparation. Protégez-la avec un bouchon ou acceptez l’éclatement.

Le tube en fibre de carbone de 14 mm est la dimension que je cite le plus fréquemment : 14 × 12 mm ou 14 × 10 mm, parfois en jeux télescopiques. Employé pour les chariots de glissement de caméra, les perches de taille, les perches de levé topographique, les longerons de cerf-volant et les mâts d’antenne. À ce diamètre, l’épaisseur de paroi constitue le véritable critère de choix, et la plupart des utilisateurs optent pour une valeur trop faible. Une épaisseur de 1 mm sur un tube de 14 mm équivaut à une paille soumise à un effort de flexion.

Un tube en fibre de carbone de 2000 mm change entièrement la donne. À deux mètres, la géométrie prime sur le matériau. Un tube de 14 mm chargé à son extrémité est régi par le flambage, non par la résistance. La formule d’Euler donne P critique = π²EI / (KL)². Doublez la longueur et la charge critique chute d’un facteur quatre. J’ai vu des acheteurs spécifier 2000 mm de tube de 6 mm pour une charge ponctuelle de 5 kg. Les calculs disaient « non » avant même que je décroche le téléphone. Il se serait courbé comme un spaghetti, puis plié.

Pour les applications télescopiques, demandez par écrit les tolérances d’ovalité et de rectitude. Une déviation d’un millimètre par mètre est normale. Une tolérance de diamètre extérieur de ±0,1 à 0,2 mm est réalisable ; les fournisseurs bon marché ne la respectent pas, ce qui explique pourquoi vos sections se coincent à mi-course sur site.

Quand un diamètre de 4 pouces est pertinent, et quand il l’est totalement pas

Atube en fibre de carbone de 4 pouces correspond à un diamètre extérieur de 101,6 mm. Cela relève de la structure, non de la quincaillerie. Vous avez besoin d’une épaisseur minimale de paroi de 4 à 6 mm, sinon vous obtenez un flambage local bien avant d’atteindre les limites du matériau.

L’outillage pour cette dimension est coûteux : grande matrice, presse puissante, et l’exothermie dans une section épaisse constitue un problème en soi. La résine au centre d’une paroi de 6 mm peut développer une exothermie suffisamment forte pour fissurer la stratification de l’intérieur vers l’extérieur. Vous ne verrez jamais ces fissures depuis l’extérieur.

Nous coupons et examinons systématiquement chaque série de tubes à paroi épaisse. Sur une commande passée en 2021, j’ai demandé cet examen après avoir constaté une qualité de surface trop parfaite ; nous avons alors détecté des fissures centrales sur trois échantillons sur dix. Nous avons rejeté l’ensemble du lot. Le fournisseur a contesté cette décision pendant une semaine.

À 4 pouces, demandez-vous si vous avez vraiment besoin de carbone partout. Un empilement hybride — carbone à l’extérieur pour la rigidité, verre à l’intérieur pour réduire les coûts et améliorer la résistance aux chocs — offre souvent 80 % des performances pour la moitié du prix. Je le répète sans cesse. Cela réduit ma marge, et je continue de le dire.

Comment les acheteurs compromettent-ils eux-mêmes leurs propres tubes

Les colliers de serrage sont le premier tueur. Ne jamais serrer directement sur une surface pultrudée. Coller une ferrule en aluminium, insérer un bouchon interne ou utiliser un bloc fendu avec une doublure en caoutchouc. Le tube ne se soucie pas de votre couple de serrage.

Il y a ensuite la corrosion galvanique. La fibre de carbone est électriquement conductrice et plus noble que l’aluminium ou l’acier. Visser un tube en fibre de carbone pultrudé  sur un support en aluminium dans un environnement humide entraîne la dissolution du support. J’ai vu des mâts revenir après dix-huit mois en mer avec les fixations réduites à une pâte grise. Isoler à l’aide d’une couche de voile de verre ou utiliser de l’acier inoxydable avec un joint d’étanchéité adapté, tout en acceptant l’intervalle d’entretien requis.

La découpe constitue le troisième risque. Découper à l’eau, aspirer la poussière, porter une protection respiratoire adéquate. La poussière de carbone est conductrice et se propage facilement. Dans un atelier que j’ai visité en 2017, un contrôleur CNC a été détruit parce qu’on usinait des tubes sur la même table que celle utilisée pour le montage électronique. La poussière s’était déposée à l’intérieur de l’armoire et avait provoqué un court-circuit sur la carte. Ne jamais découper du carbone à proximité de votre zone de montage.

Ensuite, chauffage. Les systèmes époxy standards utilisés en pultrusion présentent une température de transition vitreuse (Tg) comprise entre 80 et 120 °C. Un tube noir laissé au soleil direct au Xinjiang atteindra presque cette fourchette avant même toute mise en charge. La rigidité diminue à mesure que l’on s’approche de la Tg. Ce n’est pas une réclamation sous garantie, c’est de la physique.

Coût approximatif

Les acheteurs demandent toujours un chiffre avant de me préciser l’application visée. Voici donc la fourchette de prix, qui varie selon les cours des fils de renfort, très volatils depuis 2022.

Un tube de 6 mm fabriqué à partir de fils de renfort de classe T300 coûte environ 3 à 6 dollars le mètre en grande quantité. Pour les diamètres de 14 mm, la fourchette s’étend de 8 à 15 dollars. En passant à la classe T700, ajoutez 30 à 40 %, car le fil de renfort lui-même est plus coûteux, et non parce qu’un quelconque surcoût est appliqué. Un tube de 4 pouces avec une épaisseur de paroi de 5 mm coûte de 120 à 200 dollars le mètre : vous payez autant le temps d’usinage du filière que la matière première.

Un tube d’acier sans soudure de diamètre extérieur comparable coûte 2 à 4 dollars le mètre. Ce rapport surprend les personnes qui ne consultent que le tableau des densités. A tube en fibre de carbone pultrudé représente de cinq à trente fois le coût des matériaux, et vous l’achetez parce que la réduction de poids se rentabilise en aval, par exemple sur les frais de transport, la main-d’œuvre d’installation, le moteur que vous n’avez plus besoin d’installer ou la charge utile supplémentaire que vous pouvez désormais transporter.

Si aucun de ces avantages ne s’applique, achetez de l’acier. Je suis sérieux.

Que demander avant d’envoyer le bon de commande

Demandez la référence du fil de préforme (roving) : T300, T700 ou un produit non étiqueté provenant de l’entrepôt d’un courtier. Demandez la fraction volumique de fibres ; si le fournisseur ne peut pas vous la fournir, c’est qu’il ne l’a jamais mesurée. Demandez le système de résine utilisé — époxy ou vinylester — ainsi que sa température de transition vitreuse (Tg). Exigez également la tolérance de rectitude, par écrit.

Demandez un échantillon sur toute la longueur, et non un morceau de 200 mm découpé au hasard. Ces chutes masquent les défauts de courbure, de torsion et les lignes de matrice qui n’apparaissent clairement que sur des longueurs supérieures à deux mètres. Demandez s’ils effectuent des essais conformément à la norme ASTM D3916 ou à la norme ISO 527, ou s’ils se contentent de tester un seul prélèvement par mois en espérant obtenir un résultat satisfaisant.

Afabricant de tubes en fibre de carbone pultrudés un fabricant incapable de vous indiquer la taille de la nappe (tow size) du fil de préforme utilisé dans sa propre matrice procède à une simple estimation, et c’est vous qui payez le prix lorsque cette estimation est erronée.

Régler également les frais d’outillage et la quantité minimale de commande dès le départ. Les dimensions standard sont expédiées en quelques jours. Un profil personnalisé de 4 pouces avec une paroi de 5 mm implique un nouveau moule, un délai de trois à cinq semaines et des frais d’outillage. Personne n’aime l’entendre, mais cela vaut mieux qu’une mauvaise surprise sur la facture.

L’acier n’est pas mort

J’utilise l’acier. Il est peu coûteux, robuste, résiste aux chocs, les UV n’ont aucun effet sur lui, et on peut le souder sur site avec un groupe électrogène et une meuleuse.

Le carbone est la solution lorsque le poids constitue un problème que vous ne pouvez résoudre autrement. Un tube en fibre de carbone pultrudé fait ce qu’aucun métal ne saurait faire : il supporte de sérieuses charges à un cinquième de la masse. Respectez ses limites, et il durera plus longtemps que l’acier qu’il remplace.

Ignorer ces limites, et vous serez au téléphone avec moi dans dix-huit mois pour demander pourquoi il s’est rompu.