Choix d'un alliage d'alu pour création d'un cadre de vélo

[Steestag]

Bonjour à toutes et à tous,

Actuellement en stage M1 Ingénieur en mécanique et CAO dans une société orléanaise, je suis entrain de réaliser un prototype de cadre de vélo quasiment de A à Z.

Pratiquant pas mal ce sport et ayant une bonne idée du domaine, mon choix pour le matériau du cadre s'est porté sur l'alu.

Les plans étants terminés (plus qu'à les fignoler), je cherche les alliages pour les différentes pièces, mais beaucoup de questions se posent quand on passe de la partie modélisation à la partie réalisation, faisabilité, production...

Au début, je partais plutôt sur de l'alu 6060, celui que je connaissais le plus et dont les tubes et plaques sont assez facile à trouver quand on n'est pas un pro.

Le cadre est grosso modo constitué de deux plaques d'alu découpées au laser de 5 mm d'épaisseur, on m'a conseillé brièvement de partir sur de l'alu 5083 pour sa solidité et ses bons résultats dans tous les autres domaines (usinage, perçage ainsi que l'anodisation de couleur, dans mon cas un gris, et la facilité de soudage) mais les deux plaques devront aussi être pliées légèrement quasiment en leur milieu, ce qui peut-être plus ou compliqué selon le choix de l'alu.

Par ailleurs, les tubes pour les différents éléments du cadre ne sont pas simple à trouver en alu 5083 surtout avec des diamètre externe en 45 mm ou 55 mm.

De plus, la douille de direction devra être usinée avec une précision d'environs 0.1 mm (pour les cages de roulement directement intégrées) difficile à obtenir avec du 6060 de ce que j'ai compris et de nombreux tubes ronds devront être soudés les uns les autres.

Une autre question se pose, dois-je partir sur des pièces d'un seul et même alliage ou alors varier les plaisirs, ce que l'on m'a toutefois déconseillé.

En d'autres mots, je suis un peu perdu et j'espère que le problème vous est exposé de manière claire et précise pour m'aider dans le choix de l'alu que je devrais utiliser ?

Bien cordialement. ^^

NG

 

[Jmr06]

Les plans étants terminés (plus qu'à les fignoler), je cherche les alliages pour les différentes pièces

Bon, ne dit pas cela lors de ta soutenance de stage. Normalement, on conçoit et on fait les plans en fonction de la matière et du procédé de fabrication.

Un paramètre important que tu n'a pas indiqué est l'objectif de la conception : la performance (vélo de compétition), la légèreté, la tenue à l'oxydation, le design, procédé particulier de fabrication, production en grande série, autre chose qui ne me vient pas à l'esprit ?
En fonction, on pourrait choisir une matière ou une autre.
Dans les critères de choix des alu, il y a la soudabilité, la possibilité de formage, la protection par anodisation, la tenue mécanique, à la fatigue, le coût ...
Sans les objectifs de conception, difficile de donner un conseil avisé.

Ceci dit, le 5083, ça réunit pas mal de critères : soudable, déformable, anodisable, tenue pas exélente mais correcte. Bref pourquoi pas.

Bonne réussite pour ton stage. Je vois que tous les stages n'ont pas été annulés suite au confinement.

 

[Steestag]

Bonjour Jmr06, je te remercie de ta réponse si rapide, en effet il manque des précisions que je vais t'apporter avec plaisir ^^

Tout d'abord, niveau cahier des charges, il s'agit d'un vélo de 20 pouces destiné à un usage très urbain, le poids doit être contenu environs 20 kilos avec le moteur et les équipements, la limite du poids du cadre est donc fixé à 3,5 kilos. (Ce qui est certes déjà beaucoup mais a tout de suite retiré le choix de l'acier)

Le coup de production du vélo total doit se situer aux alentours de 600-700 euros/pièce pour une première fabrication de 10 vélos. Grosso-modo j'ai 250 € pour réaliser chaque cadre. (niveau prix on enlève le titan, le magnésium et c'est très (trop) séré pour la fibre de carbone).

Vu qu'il s'agit de prototypes d'étude et de présentation, on ne voulait pas d'un cadre "mono-block" long à produire et quasi-impossible à modifier une fois réalisé.. donc ça exclu les composites, fibres etc

Pour ce qui est de la fatigue, des contraintes et des calculs structurels, je les ai effectués en CAO avec le module GSA de Catia V5, avec les caractéristique de l'alu 6060 donc j'ai dimensionné (et surdimensionné certaines pièces) pour atteindre la résistance demandée par les normes du vélo avec des coefs de sécurité adéquats.

Pour ce qui est de la tenue à l'oxydation, je ne peux pas être extrêmement précis n'ayant pas de connaissances poussés dans le domaine, ce n'est pas non plus l'intitulé de mon stage, un autre ingénieur s'en charge, mais nous partirions sur une anodisation de l'aluminium avec plusieurs bains de ce que j'ai cru comprendre et de la peinture sur certaines pièces. Cet aspect n'est donc pas limitant dans le choix du matériau.

Des tubes viendront se positionnés perpendiculaires et être soudés aux deux plaques, la douille de direction sera usinée (les roulement demande de la précision à +0.05 mm -0.0 mm pour les insérer en force)

Le design est peu commun et a été discuté avec d'autres ingénieurs, et pour ce qui est des plans, il ont été justement réalisés avec l'optique de partir sur une plaque qui sera par la suite découpée au laser, pochée et on viendra rajouté des tubes entre les deux. Je pense pas pouvoir t'en dire beaucoup plus, vu que je suis soumis à la confidentialité dues au stage. Bien que dans ce projet, ce n'est pas le cadre du vélo qui est le plus intéressant mais sa manière de fonctionner. N'hésite pas si tu as d'autres questions.

Je te remercie vivement de ton soutien, ce stage à été particulièrement dur à obtenir mais niveau enrichissement je ne pouvais pas trouver mieux pour un ingé en devenir.

Cordialement,

NG

 

[duredetrouverunpseudo]

De se que j'ai vue en BMX haut de gamme,donc ceux qui s'en prennent vraiment dans la tronche.

Sont en série 6000 en traitement T6

Du 6061 de mémoire

 

[JASON]

Bonjour,

Bon, ne dit pas cela lors de ta soutenance de stage. Normalement, on conçoit et on fait les plans en fonction de la matière et du procédé de fabrication.
Un paramètre important que tu n'a pas indiqué est l'objectif de la conception : la performance (vélo de compétition), la légèreté, la tenue à l'oxydation, le design, procédé particulier de fabrication, production en grande série, autre chose qui ne me vient pas à l'esprit ?
En fonction, on pourrait choisir une matière ou une autre.
Dans les critères de choix des alu, il y a la soudabilité, la possibilité de formage, la protection par anodisation, la tenue mécanique, à la fatigue, le coût ...
Sans les objectifs de conception, difficile de donner un conseil avisé.
Ceci dit, le 5083, ça réunit pas mal de critères : soudable, déformable, anodisable, tenue pas excellente mais correcte. Bref pourquoi pas.
Bonne réussite pour ton stage. Je vois que tous les stages n'ont pas été annulés suite au confinement.

Bravo pour la rédaction de cette réponse avertie et concise
Je n'étais plus habitué...
JASON

 

[vibram]

Salut,

moi je suis pas du tout technicien mais j'ai fait un ou deux cadres de velo pour le fun.
Tu es sur qu'on arrive pas en dessous de 3.5Kg pour un cadre acier ?
Colombus et reynolds font des alliages et des formes très performantes en simple ou double butted pour des poids vraiment interessants.
Enfin voila c'est la seule chose qui m'a intriguée, pour le reste je ne suis pas assez connaisseur

 

[Jmr06]

Sont en série 6000 en traitement T6

Ben, cela dépend de l'usage et des objectifs.
Les 2 principales différences à mon avis entre le 6061 T6 et le 5083 h111, c'est la limite élastique plus faible du 5083 et la faible possibilité de déformation à froid du 6061.
Les autres caractéristiques, module d'Young, Rm, soudabilité, anodisation ne me semblent pas faire la différence.
Le 6061 peut être mis en forme à froid, tout dépend des rayons souhaitez. Si la forme n'impose pas des rayons de courbure trop sévère, il peut être utilisé.
Le faite de souder le 6061 dégrade fortement ses caractéristiques de limite élastique, il pert donc en partie son avantage, sauf à refaire un traitement thermique après soudure. Ou sauf si les contraintes maxi ne sont pas au niveau des soudures, ce qui m'étonnerait. De toute manière, un traitement de maturation est généralement conseillé avec le 6061 soudé.
Les autre séries, 4000 ou 7000 ne me semble pas pertinentes pour cette application, plus cher, plus difficile à souder bien que meilleures mécaniquement.
Bref, pour moi le choix est entre 6061 et 5083 et se discute en fonction de la forme des pièces, des efforts subis.
Ce n'est que mon avis.

PS : je sais qu'on peut souder du 6061 sur du 5083, mais je n'ai jamais pratiqué.

 

[duredetrouverunpseudo]

Vu la forme du cadre du bmx, la mise en forme était faite par hydroformage.

Le traitement T6 est à faire après soudure, sinon aucun intérêt

 

[Jmr06]

la mise en forme était faite par hydroformage

A ton avis, recuit avant hydroformage puis trempe ensuite ?

 

[sergepol]

J'aurai choisi le bambou sans trempe ni revenu!!!!! juste pour rire!!!
Salutations.

 

[duredetrouverunpseudo]

A ton avis, recuit avant hydroformage puis trempe ensuite ?

Le procédé exact je ne le connais pas, c'était le gamin qui faisait du bmx, et les cadres hauts de gamme à quelque milliers d'euros avait un autocollants 6000 quelques choses T6.

Le traitement c'est mieux de le faire après soudure.
Sinon aux soudures le traitement est altéré

 

[tatave]

Je me permets de réagir...

L'usage de la découpe laser va engendrer des contraintes supplémentaires dans les pièces ( plasma même combat, il y'a une zat aussi)

J'utiliserai plutôt un detourage par usinage, ou mieux, en découpe au jet d'eau ( contraintes libérées, pas de zat, bref que du bonheur)

Si le proto peut évoluer ( probable) j'utiliserai le 6060 pour sa facilitée d'approvisionnement, quitte à faire une v0.2 ensuite avec quelques améliorations sur la matière ( toujours mieux de commencer par du léger et voir l'évolution en usage maximum pour analyser les contraintes et déformations, si plusieurs protos sont envisageables

 

[tyio]

coucou

les meilleurs cadre alu sont en 7075 , les moins bon en 6060 du moins, pendant ma carriere de triathlete

 

[duredetrouverunpseudo]

D'après les sites des fabricants spécialiste de cadre bmx, qui me semblent d'utilisation équivalente aux VTT.

Hydroformè
6061 T6 pour les cadres standard
7075 T6 pour les cadres premiums ultra light.

 

[tyio]

D'après les sites des fabricants spécialiste de cadre bmx, qui me semblent d'utilisation équivalente aux VTT.

Hydroformè
6061 T6 pour les cadres standard
7075 T6 pour les cadres premiums ultra light.

 

[Jmr06]

L'usage de la découpe laser va engendrer des contraintes supplémentaires dans les pièces ( plasma même combat, il y'a une zat aussi)

C'est tout à fait exacte. Sauf qu'en détourage, la zat n'est souvent pas dans une zone à forte contrainte. Contrairement à une soudure qui est quasiment systématiquement dans une zone sollicitée. Donc moins génant, mais c'est vrai qu'il faut quand même en tenir compte.

L'emboutissage, le poinçonnage, c'est pas mal non plus.

 

[tatave]

Des tubes viendront se positionnés perpendiculaires et être soudés aux deux plaques, la douille de direction sera usinée (les roulement demande de la précision à +0.05 mm -0.0 mm pour les insérer en force)

Ça exclue le 7075 qui se soude mal ( préférer les 5000 et 6000)

On exclue l'hydroformage, le poinçonnage et l'emboutissage ( pas rentables pour une série de 10, voir au-dessus)


Il ne reste plus beaucoup de procédés pour l'obtention de formes

C'est tout à fait exacte. Sauf qu'en détourage, la zat n'est souvent pas dans une zone à forte contrainte. Contrairement à une soudure qui est quasiment systématiquement dans une zone sollicitée. Donc moins génant, mais c'est vrai qu'il faut quand même en tenir compte.

100% d'accord, mais ça mérite qu'on s'y arrête

 

[DidierV]

Bonjour Steestag,

Le 6060 et le 5083 s'usine très bien... avec les bons paramètres, les bons outils et le bon arrosage. Ces alliages on le défaut d'êtres comparé au 2017A en particulier, d'ou leurs réputations en usinage... C'est sur que de taper dans du 6060 comme dans du 2017, ça se termine avec une fraise dans la benne... De toute façon, je suis d'accord avec les avis ci-dessus : 6060 ou 5083 pour la soudabilité et l'anodisation. Si tu veux un cadre gris, prend du 5083, car plus tu fera une couche épaisse, plus ton cadre sera gris foncé :

Je te recommande vivement de demander à ton prestataires de te réaliser des éprouvettes avant de lui confier ton prototype...

La couche du 6060 elle, restera transparente. Mais tu peux tinter en gris :

Ces deux alliages sont aussi extrêmement résistant à la corrosion, ce qui est pour ton application un atout certain.
Après anodisation, tu aura moins de différences entre la zone de fusion et le reste avec du 6060 qu'avec du 5083. Mais si les soudures sont particulièrement bien faites et régulières, cette différences de tons va les souligner, ce qui peut être un avantage...

Bon courage pour la suite de ton étude

 

[bilou(te)]

Ça exclue le 7075 qui se soude mal ( préférer les 5000 et 6000)

On exclue l'hydroformage, le poinçonnage et l'emboutissage ( pas rentables pour une série de 10, voir au-dessus)

Il ne reste plus beaucoup de procédés pour l'obtention de formes

100% d'accord, mais ça mérite qu'on s'y arrête

Bonjour

Pour les cadres, la majorité est en 7005 il me semble (en tout cas à la grande époques des cadres en alu, XLR8R, Airplane, altec et altec2+ chez Columbus…), sauf quelques uns (Giant à l'époque de la ONCE notamment) qui sont en 6061. Il n'y a pas vraiment de notion de gamme à rattacher à la matière en elle-même (c'est plus le cas pour les cadres acier). Après, ce qui fait le niveau de gamme d'un vélo en alu (dans le choix de la matière, pas dans la fabrication, soudure par exemple), c'est l'épaisseur.
Pour l'acier, un acier Columbus est tout à fait apte à faire un cadre de moins de 3kg, un cadre route en acier de taille normale est entre 1.5 et 2kg. Avec des tubes plus longs qu'un vélo de ville en 20", mais des tubes "double ou triple butted", à épaisseurs variables donc (pas forcément disponible sur des tubes de petites longueurs).
SI la finition souhaitée est l'anodisation, je ne suis pas sûr que toutes les matières la supportent de la même façon.

Boris

Edit : pour ce genre de projet, je t'invite à aller sur le forum veloartisanal, qui me semble assez adapté à tes questions
Edit 2 : suite au message de Doug, j'ai corrigé mon erreur sur la série de l'aluminium (le 7075 étant assez courant dans d'autres domaines, j'ai mélangé)

 

[Doug]

Les cadres de vélos en aluminium sont dans leur immense majorité en 7005, avec un T6. Cannondale avait pour habitude de prendre un alu de série 6000, et quelques cadres ont été fait en 5083. Mais le 7005 reste le meilleur choix. Le 7075 est très difficilement soudable, et d'ailleurs peu de tubes existent. Attention souder proprement de l'alu nécessite du talent et du bon matos, plus que pour du 25CD4... Prévoir un passage au marbre aussi après le soudage. 250€ par cadre sera très compliqué par chez nous aussi! Crdlt