Vélassi



Edit:20 oct. 2019, Cre:14 mai 2019

Construire en bois

Pourquoi un cadre de vélo en bois?

Je considère que la soudure de tubes aciers à l’électrode ou au fil fourré sans gaz n’est pas d’une qualité suffisante pour réaliser un cadre de vélo, et on voit d’ailleurs sur le net beaucoup de soudures vraiment horribles et la durabilité et la sécurité des cadres ainsi réalisés est sans doute assez limitée.
La bonne solution c’est soit le brasage soit la soudure TIG, mais les deux nécessitent du matériel et des compétences que je n’ai pas. J’avais acheté un ‘Onlygaz’ pour faire des essais de brasage mais le résultat n’est pas concluant.
Construire en bois prend sans doute du temps mais c’est dans mon domaine de compétence et c’est possible avec un matériel limité (je n’ai pas un ‘atelier bois’ complet, juste une perceuse fixe, une scie plongeante et j’ai acheté une ponceuse fixe pour l’occasion, ce que je voulais faire depuis très longtemps). Pour un prototype dont je ne savais pas s’il serait viable (il semble que oui…), ça paraissait possible et intéressant. J’ai fait certains choix, dont celui d’avoir un cadre très surdimensionné en termes de résistance, mais ceci apporte aussi de la rigidité, qui est une des faiblesse principales d’un cadre en bois.

Une structure en chêne ?

L’usage du chêne en construction de structure légère est rare car ce n’est pas le bois qui a le meilleur rapport poids/résistance et par ailleurs c’est un bois qui travaille beaucoup lors des changements hygrométriques et il y a risque de décollage. Pour cette raison, les nœuds sont sécurisés par des tiges filetées en inox. Il faut absolument bloquer toute modification hygrométrique en imprégnant le bois avec de l’époxy (3 couches) et le protéger avec de la peinture ou deux couches de vernis polyuréthane anti-UV. Il est hors de question pour une structure collée de laisser le bois ‘respirer’ et on ne doit pas utiliser de produits microporeux (et notamment pas d’époxy solubles à l’eau). Par ailleurs le chêne contient des tanins et il faut le ‘rincer’ à l’acétone avant collage (masque impératif et travail dehors car l’acétone sature assez vite les cartouches).
L’avantage du chêne est que c’est un bois dur et on peut y insérer paliers et roulement sans passer par un insert intermédiaire métallique. Ceci peut compenser son poids plus élevé. Les bois de structure utilisés dans l’aéronautique (Spruce et contreplaqué de bouleau) sont très chers et difficile à trouver. Les vélos en bois du commerce utilisent parfois des bois exotiques comme le Moabi (plus lourd que le chêne mais plus résistant) mais c’est impossible à trouver pour un amateur.

Le collage a l’époxy

On ne colle pas à l’époxy comme avec les autres colles à bois et il faut serrer de manière très modérée car un joint trop serré peut manquer d’époxy car celle-ci va pénétrer dans le bois et du coup le joint risque de manquer. Pour l’imprégnation, si on utilise un solvant, c’est celui du fournisseur et surtout pas de l’acétone. Une bonne solution est de chauffer l’époxy pour la rendre plus fluide mais ça va dramatiquement diminuer le ‘temps ouvert’. Pour le choix de l’époxy, il faut utiliser une époxy la plus souple possible, mais les époxy les plus appropriées sont complexes a mettre en œuvre (post cuisson) et ont une température de transition vitreuse trop basse. Certaines colles ‘souples’ ne sont pas en réalités plus flexibles, en fait elles contiennent une charge (par exemple la G/flex 655 de west system). Aussi on prend ce qu’on peut utiliser.

D’après un papier (lien ?) l’élasticité idéale pour une colle souple pour éviter la délamination à la jonction du collage doit être aux alentours de 500 Mpa
Valeurs d’élasticité :
Sicomin SR8500 : de 3400 à 3500 MPa Résine pour époxy-bois
Sicomin SR5500 : de 2500 à 3000 MPa Résine pour époxy-bois. C’est la résine que j’ai utilisée.

Une colle idéale en terme d’élasticité serait par exemple la Sicomin SR8160 (élasticité de 150 à 380 MPa) mais sa température de transition vitreuse est de 33 à 37°C, facilement atteinte si on laisse le vélo dehors et il faut faire une post-cuisson de 60 à 100°C.

Un papier en anglais sur le collage du chêne (Le chêne américain recouvre en fait plusieurs types de bois qui sont différents des chênes européens). C’est intéressant mais n’oubliez pas que l’auteur est un vendeur de résine et qu’il cherche a vendre sa marchandise.

Coller les bois durs

A noter, pour un bon collage, le chêne doit subit un ‘brettage’, qui constitue a strier le bois dans le sens du fil avec une scie à métaux par exemple. Le chêne nécessite aussi un nettoyage à l’acétone pour enlever les tanins (avant le brettage). Malheureusement, je n’ai pas fait ce brettage sauf sur le châssis arrière. J’avais lu des articles indiquant que cette opération était indispensable pour du chêne, mais je l’avais oublié…
A noter, compte tenu des difficultés de collage du chêne, les organismes de certification d’aviation interdisent le collage à l’époxy, seule la colle résorcine est autorisée.

Tous les bois durs et denses posent les mêmes problèmes de collage, qui sont liés au fait que la colle n’arrive pas à pénétrer correctement.

La résine utilisée

J’ai utilisé de la Sicomin SR5500 avec du catalyseur ‘lent’ et c’est bien assez rapide comme ça (J’ai fabriqué le vélo en avril et le temps était assez chaud). Typiquement, mes sessions de travail durent 3/4 heures et a la fin la résine devient très visqueuse et délicate a utiliser.
La durée de vie en pot est supposée être de 38 minutes sur un pot de 100g, donc normalement un peu plus pour un pot plus petit.
Il est indiqué que la résine cesse d’être collante au toucher et est dure (poncable) en huit heures, mais il m’a toujours fallu plus de temps que ça dans un local chauffé à 21°C. Les vis provisoires doivent être retirées moins de quinze heures après mise en œuvre, sinon ça risque d’être impossible après.

D’un point de vue pratique, je fais des mélanges de 31g (24 g de résine et 7 g de catalyseur). En dessous, c’est difficile de faire des mélanges précis et au dessus, ça fait trop de résine et on risque d’avoir le mélange qui part en exothermie (la réaction de réticulation de la résine est exothermique et plus la résine est chaude, plus elle réagit vite et le système s’emballe, il arrive donc assez souvent que les quantités trop grandes durcissent très rapidement en chauffant a haute température, ce qui est dangereux). Même pour d’aussi petites quantités il faut faire attention, j’ai eu un pot qui est parti en exothermie parce que je l’avais laissé exposé au soleil.
Il est préférable de travailler dehors mais il faut toujours travailler à l’ombre.
Il faut une balance précise au dixième de gramme et si on verse un peu trop de résine ou de catalyseur, il faut compenser en rajoutant le produit manquant.
J’ai acheté des pots gradués mais je ne m’en suis pas servi, ils sont beaucoup trop grands pour mes quantités.

Bilan sur l’utilisation du chêne

A l’usage, la construction en chêne était une erreur. Les difficultés particulière de collage des bois durs (Chêne, Frêne, Hêtre) liées a leur faible porosité, ajouté au fait que le chêne contient des tanins, rendent ce choix peu pertinent. Certes, on peut insérer directement les paliers dans le chêne, mais des plaques en aluminium vissées dans un bois blanc rendraient le même service pour un poids globalement moindre. La résine durcit superficiellement le bois de manière importante et il est peut être possible d’insérer directement les paliers de direction et de pédalier dans le bois comme je l’ai fait avec la structure en chêne.
La résistance du chêne est plus importante, mais les vis de renfort affaiblissent celui-ci et annulent une bonne partie du gain de résistance. Les vis de renfort sont compliquées à mettre en place et alourdissent l’ensemble. Je pense qu’un structure en bois blanc (Pin, Sapin, Douglas) serait beaucoup plus facile à construire et plus légère d’au moins un kilo sans perte de résistance significative. Elle serait un peu plus flexible, mais la structure treillis est en elle-même relativement rigide et il n’y a pas de problème particulier. Les structures en bois blanc se collent très bien (on fait des avions comme cela depuis plus de 70 ans) et il n’y a aucune raison de renforcer/assurer les liaisons avec des vis comme je l’ai fait pour ma structure en chêne. Des modification de plan pour augmenter les surfaces de collage a certains endroits seraient cependant bienvenues.

Pré-imprégnation à la résine

J’ai réalisé une pré-imprégnation avec de la résine diluée au maximum de mes pièces avant collage. C’était une erreur car la résine s’est avérée ne pas très bien coller sur elle-même. J’ai bien sur gratté mécaniquement la couche de résine (avec un cutter) avant collage mais ça rajoute une étape et le résultat global est probablement moins robuste que si je n’avait pas fait cette pré-imprégnation.
Beaucoup de résines époxy génèrent lors de leur polymérisation sur leur surface une couche chimique visible ou invisible qui peut gêner l’adhérence de la couche suivante. Un grattage, ponçage ou un passage avec une éponge abrasive est indispensable d’une couche à l’autre. Cette opération doit se faire à l’extérieur et avec un masque de protection complet car la résine reste toxique tant qu’elle n’est pas complètement polymérisée (ce qui prend une bonne semaine). La documentation du fournisseur de résine indique que l’on peut poncer au bout d’environ huit heures, mais il ne faut pas oublier la toxicité de la résine non complètement polymérisée.

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(c) Pierre ROUZEAU
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Page mise à jour le 20/10/2019 20:07