Débat (technique) alu VS carbone

[atsju]

Bonjour à tous,

J'aimerais vérifier avec vous quelques basiques comme "le carbone c'est plus léger" et "le carbone c'est plus rigide".

 

Pour poser le contexte, je vais désigner par "carbone" ou "CF" les plaques de composite en fibre de carbone pleine masse. Donc pas un sandwich nid d'abeille ou mousse, ni de la fibre de carbone pure mais un mélange de CF (carbon fiber) et de colle/résine (epoxy la plupart du temps). On va aussi imaginer que ce matériau est isotrope même si on sait que ce n'est pas le cas à cause du sens des fibres.

 

Pour la densité:

alu = 2.7 g/cm^3

CF = 1.2-1.5 g/cm^3

Pour le module d'Young (ou tensile modulus en anglais qui désigne la rigidité):

alu = 69-76GPa selon l'alliage

CF = 30-100GPa mais plutôt 30-60Gpa pour pour ce qu'on peut acheter ou fabriquer en tant que particulier.

 

Donc CF deux fois plus léger (et ca c'est sans compter la finition en gelcoat polish pour faire jolie) et parfois deux fois MOINS rigide à volume égal.

 

Je note aussi ici (je découvre avec vous) que la rigidité n'a rien a voir avec la dureté. Une plaque en dural VS alu extrudé mou va se déformer à peu près autant (même rigidité) même si c'est 5x plus dur (dureté) à marquer, percer ou scier.

 

Avantage carbone :

- coefficient de dilatation thermique presque nul

- fabrication de pièces aux formes courbes

- fabrication de pièces légères spécifiques en utilisant un sandwich avec un cœur en mousse ou nid d'abeille

- aspect visuel

Avantage alu :

- pièces moins épaisses à résistance égale selon la qualité de la CF

- plus facile à travailler

- moins cher pour les formes standards (plaques, tubes, ...)

 

En écrivant ce post, j'ai fait des simulations avec Solidworks et en voulant prendre de vrais valeurs fabricant je me suis finalement rendu compte que le module d'Young dépend beaucoup du fabricant et du produit.

Example pour les tubes:

https://www.easycomposites.eu/12mm-pultruded-carbon-fibre-tube => 28-40GPa (prenons 35), 10-14€/m

https://www.easycomposites.eu/12mm-10mm-woven-finish-carbon-fibre-tube => 64GPa, 10-13€/m

Alu https://www.leroymerlin.fr/produits/quincaillerie/corniere-tube-tole-et-profile/corniere-et-profile/profile-aluminium/tube-rond-aluminium-brut-gris-lisse-l-1000-mm-x-diam-10-mm-80109813.html => 69GPa 4.5€/m et on doit pouvoir trouver moins cher

Example pour des plaques:

https://www.easycomposites.eu/high-strength-carbon-fibre-sheet => 10?-35Gpa

https://www.easycomposites.eu/double-sided-high-strength-carbon-fibre-sheet => 50-65Gpa

 

Pour conclure : "le carbone c'est plus léger" et "le carbone c'est plus rigide" => oui mais seulement si votre fournisseur vous donne un module d'Young supérieur à 35Gpa.

Si vous fabriquez vous-même, aucune garantie sur la rigidité finale et si vous ajoutez du gelcoat, ça fait beaucoup de poids (relativement).

Je pense que je m'étais convaincu de la supériorité absolue de la CF en prenant des modules d'Young et densité de la fibre de carbone pure sans colle.

 

Si vous faites le choix de la CF, faites le pour des pièces complexes et avec un cœur en mousse PVC ou en bois.

L'achat de plaques ou tubes de CF n'est pas forcément justifié (par example pour les pieces d'un barillet) selon la rigidité de la CF choisie. La qualité/rigidité est bien plus variable que pour l'alu et le gain pourrait être nul.

 

Je me suis planté dans les calculs ? 

Vous le saviez ?

Vous en pensez quoi ?

Modifié 18 novembre 2023 par atsju

[atsju]

Puur ajouter au débat,

J'ai trouvé sur ce site un graphique qui représente montre bien la rigidité VS densité (CFRP = composé en fibre de carbone)

https://metalblog.ctif.com/2021/12/06/proprietes-comparees-des-materiaux/

 

et sur ce site, presque tous les produits annoncent un module à 140Gpa

https://fr.custom-composite.com/info/aluminium-vs-carbon-fiber-comparison-of-materi-25728106.html

 

Si quelqu'un a une chute de tube rond, carré ou de plaque de n'importe quelle provenance, j'aimerais bien mesurer le module d'Young pour vérifier sur un vrai materieau.

 

Par ailleurs, à masse égale, une plaque en CF se déformera moins qu'une pièce en Alu puisqu'elle sera plus épaisse. C'est moins vrai pour les tubes puisqu'ils sont creux.

[yannick78]

j'ai l'impression que la comparaison n'est pas la bonne, car  normalement ces 2 matériaux n'ont pas la même utilisation, d'ailleurs tu le précises en posant le contexte.  Je vais encore resserrer le périmètre en  prenant uniquement le cas des choix dans la construction de dobson.

Sauf cas particuliers qd on achète des plaques d'alu avec nida, l'alu normalement n'est pas utilisé pour faire du composite  avec les formes spécifiques. il reste les cas des tubes et des plats, bien souvent le choix est conditionné par la  méthode fixation qui elle-même est liée à  notre outillage ( on écrase pas les tubes en carbone pour les fixer). 

Il faut aussi prendre en compte que nos structures n'ont pas besoin d'être hyper-optimisée en rigidité de materiaux mais plus de connexions et bien souvent si il y a une faiblesse, c'est un problème d'épaisseur ou de fixation avant d'être un pb de choix de matériau.

Pour les plats . dans le cas de la fibre,  on va préférer le collage alors que pour l'alu ça sera plutot le vissage ou le rivetage. Il y a aussi une certaine cohérence de réalisation et de compatibilité entre les materiaux. Dans le cas d'une cage secondaire en composite, on va pas visser des pattes en alu (ajout d'inserts pour le vissage....) et on va pas coller de l'alu sur de la fibre ; alors que sur du bois, on a pas de pb pour faire du vissage mais pas seulement du collage....  Visser des pattes en carbone n'a pas de sens  sur une cage en bois, c'est plus cher et le besoin  ne fait pas de difference entre de l'alu et du carbone pour une patte en épaisseur 4 ou 5mm...

 

Donc la question se poserait uniquement sur les tubes si on a moyen de faire des chapes qui vont biens, la question se pose  surtout pour un gain de masse et sur le delta de coût... donc l'écart de performance est très secondaire.

 

Yannick

 

Modifié 19 novembre 2023 par yannick78

[jitou]

Je ne suis pas expert en matériaux donc je te laisse vérifier, je sais que la fibre de carbone dû fait que celle ci est peu sensible au changement de température n'est pas pas toujours un avantage, par exemple on voit parfois des lunettes plutôt classées haut de gamme (mais jamais des Takahashi cependant) vendue dans un tube en carbone certe c'est léger mais peut être pas beaucoup plus que de l'alu, cependant c'est tellement rigide que celà peut entraver l'expansion des lentilles qui se retrouvent alors coincées dans leur cellules produisant éventuellement un horrible astigmatisme, je sais que celà a été déjà constaté mais je ne sais plus dans quelles circonstances. 

 

il y a une heure, atsju a dit :

C'est moins vrai pour les tubes puisqu'ils sont creux.

 

Oui dans un sens mais pas dans l'autre, un tube de carbone est justement très résistant à la compression (loi de Hooke) et donc au flambage et surement un peu plus que l'alu, c'est pour ça qu'on le trouve souvent pour faire la jonction entre la cage du secondaire et du primaire sur des astrographes ou des dobsons.

[JMBeraud]

Bonsoir,

 

Je n'ai pas trop compris où était le débat, mais il y a un peu de lecture ici, ça date un peu mais ça reste vrai. 

 

Le 18/11/2023 à 18:55, atsju a dit :

On va aussi imaginer que ce matériau est isotrope même si on sait que ce n'est pas le cas à cause du sens des fibres.

 

Je pense que c'est là que le raisonnement pèche. Une orientation = module à 100%, deux orientations à 90°, division par quasi deux du module dans le sens d'une des orientations, etc (cf tableau dans le post indiqué, différence entre UD et tissu). Ne pas profiter et ne pas comprendre ça en effet peut créer des questions qui n'existent pas vraiment, notamment sur ce que fournissent les vendeurs. 

 

Bonne suite,

JMarc

[HPMâd]

Bonjour,

 

Pour moi, la rigidité d'un telescope est plus facile a obtenir via la structure mechanique (création d'un triangle de tubes) que via l'utilisation de materiaux plus "techniques" et plus difficiles a acheter et travailler...

 

C'est peut être légérement plus lourd, mais au vu du poids du miroir et du reste... on n'y gagne pas grand chose.

 

Dans le cas ou un rigidité via la structure méchanique n'est pas possible, comme pour mes monobras:

http://brebisson.ddns.net/400-single-pole-low-rider

 

oui, j'aimerais bien utiliser du Carbone...

Mais, le prix est tel qu'il est BEAUCOUP plus simple d'augmenter de 20% le diamètre du tube alu!

De mémoire, le tube alu du 600 (2m de long, 65mm de diam), à couté environ 60€... Je n'ose pas imaginer le prix de la version carbone!

 

Cyrille

[lordzurp]

totalement HS, mais @HPMâd regarde du coté des mâts de planche à voile

(bon, forcément ça dépend de ta région ... près du havre on en trouve dans les poubelles  )

[Astrokor]

Le 18/11/2023 à 18:55, atsju a dit :

L'achat de plaques ou tubes de CF n'est pas forcément justifié (par example pour les pieces d'un barillet) selon la rigidité de la CF choisie

 

Un barillet "léger" ne sert pas à grand chose car en général c'est là qu'on a besoin de masse pour assurer l'équilibrage du tube surtout avec des miroirs minces. En revanche, pour les bielles du tube et toute la partie cage secondaire, le carbone est très intéressant. Ce n'est que mon point de vue.

[grosluc]

Carbone, alu, acier...  l'un n'est pas meilleur que l'autre, tout dépend de ce qu'on en fait. En poste fixe  une bonne monture en acier c'est génial. En composite ce sera moins bon ! PAr contre une structure serrurier en CF c'est le bonheur car ça ne bouge pas, ni dans le temps, ni avec la T°, donc collimation et mise au point stables !

 

bref, quelques idées :

 

 

 

[HPMâd]

Il y a 17 heures, lordzurp a dit :

totalement HS, mais @HPMâd regarde du coté des mâts de planche à voile

(bon, forcément ça dépend de ta région ... près du havre on en trouve dans les poubelles  )

Bonjour,

 

Ancien veliplanchiste, je connais les mats de planche a voile

Mais c'est souple un mat de planche! beaucoup trop souple pour l'utilisation sur un scope (a mon avis)... J'avais regardé il y a quelques années...

 

Cyrille

[Fred_76]

Il y a 22 heures, lordzurp a dit :

totalement HS, mais @HPMâd regarde du coté des mâts de planche à voile

(bon, forcément ça dépend de ta région ... près du havre on en trouve dans les poubelles  )

Je confirme !!! C’est pas un spot pour les débutants 😂

 

 

https://www.instagram.com/p/CXR6mU-sIv0/?igshid=MzRlODBiNWFlZA==