Renforts carbone: entre mythe et réalité, ce qu'il faut ne pas faire

[mexuku]

Sommaire:
Présentation: c'est ici!
Flexion du manche
Torsion du manche
Choix du matériau
Effets des variations de la température
Impact de la touche

Mon problème de manche trop mou sur ukulélé électrique, j'ai passé un peu de temps à étudier les renforts carbone sur un logiciel d’éléments finis pour voir quelles dimensions et positions adopter.

Les résultats sont surprenants !!!

Je croyais être le découvreur de certains concepts mais quelques éclairés sont dans le droit chemin. De nombreux luthiers professionnels sont malgré cela dans le faux de mon point de vue! Dernière solution: je me trompe complétement. Donc j'attends vos remarques...

On va donc jouer au jeu des questions réponses pour essayer d'avoir un forum un peu animé.

Question 1: Pour avoir un manche le plus rigide possible, faut-il mieux mettre le renfort carbone à l'horizontale ou à la verticale?
La réponse peut sembler évidente à certains...

La question sera plus claire en image

Renfort vertical:

key330.11.jpg

Renfort horizontal:

key862.13.jpg

Réponse ici

[Damas]

Je pense que le but du renfort carbone est plus pour bloquer la vrille qu'autre chose, un manche trop rigide= manche in réglable.

[36seb]

Sur un uku, oui les renforts carbone sont au mieux superflus.

par contre, pour rgidifier, il faut mettre le renfort carbone à la verticale.

[stephane isiar]

tu a intégré la touche dans ton logiciel ? la touche est collée a l’horizontale , du coup je choisirait plutôt la verticale pour le renfort , histoire d'avoir des couches croisées ,ce qui devrait mieux réagir dans toutes les directions que des couches superposées .

[Junah]

Moi j'utiliserais une tige de carbone carrée

Le principe est à peu prêt le même que pour le solivage d'un plancher bois : on ne pose pas les solives à plat…

[fidler]

Pour moi le but c'est d'avoir un manche qui ne se creuse pas sous l'effort des cordes. Donc si tu prend un renfort de 8 X 4 mm, tu peux le plier facilement sur les 4mm et pas du tout facilement sur les 8mm. Donc Vertical.

[Dagda]

Euh... C'est la base de la charpente et du plancher depuis des millénaire les mecs... Il y a besoin de préciser ça ?

D.

[mexuku]

Réponse courte: Il faut mettre le renfort carbone à l'horizontale.

Les explication théorique sont données ici:
https://www.classicalguitardelcamp.com/ ... 8#p1197822
Je peux vous faire une version courte en français si vous voulez.

Pour l'exemple, j'ai fait un manche simplifié de mon ukulélé électrique.
J'ai pris un bois correct de type erable avec un module d'Young de E=14.2GPa et non mon contreplaqué à E=4GPa. Pour le renfort carbone, j'ai pris des caractéristiques identiques à l'acier soit E=210 GPa. On verra plus loin que les caractéristiques varient beaucoup selon le fournisseur.

Voila les résultats.
Config 1: Bois seul - pas de renfort

rdm-pas renfort.jpg

Flexion: 0.27 mm (0.87 mm pour le contreplaqué!)
Contrainte dans le bois: 1.3MPa

Config 2: Renfort carbone vertical 3x8

rdm-renfort3x8.jpg

Flexion: 0.17 mm (0.28 mm pour le contreplaqué!)
Contrainte dans le bois: 1MPa
Contrainte dans le carbone: 15MPa
Note: Les luthier qui pensent que le carbone modifie le son de la guitare ont certainement raison car les efforts dans le bois baissent beaucoup et sont repris par le carbone.

Config 3: Renfort carbone horizontal 8x3
Flexion: 0.13 mm
Note: Tant qu'à mette 3x8=24mm² de carbone autant utiliser la config suivante de 24x1=24mm²

Config 4: Renfort carbone horizontal 24x1

rdm-renfort3x8.jpg

Flexion: 0.11 mm (0.15 mm pour le contreplaqué!)
Contrainte dans le bois: 0.6MPa
Contrainte dans le carbone: 8MPa
Note: Ma c

Remarques et réponses aux questions:
Il faut coller le renfort, sinon les résultats baissent énormément. J'ai pas fait le calcul. Je suis pas sur de savoir faire.

tu a intégré la touche dans ton logiciel ?

Non. Dans mon cas, j'ai une touche imprimée 3d en ABS de module E<2GPe et en structure nid d'abeille. Son impact sur la rigidité est négligeable. Par contre un bon bois a de l'influence. On verra ca dans un prochain post.

Sur un uku, oui les renforts carbone sont au mieux superflus.

Pas dans le cas de mon ukulélé électrique

Euh... C'est la base de la charpente et du plancher depuis des millénaire les mecs... Il y a besoin de préciser ça ?

Moi aussi je pensais ça avant de faire ces essais. C'est contre intuitif car la baguette seule de carbone est plus résistante à la verticale.
Tous les fabricants pour lesquels j'ai pu voir les renforts sont dans le faux!
On est en fait plus proche du cas des matériaux sandwich dont une exemple bien connu est le ski: le fibres sont à la surface du ski et l’intérieur est soit un noyau bois, soit un nid d'abeille.

Une petite vidéo de Kiesel qui fait le même test que moi en vrai avec des renforts dans le mauvais sens:
https://www.youtube.com/watch?v=JY5fqe_rDao[/video]

Question suivante:
Les barreaux de fibre de carbone extrudés ("pultruded carbone fiber") sont il plus rigides que l'acier?

[Dagda]

Deux "observations" :
- Est-ce que la colle est prise en compte dans ton montage ?
- D'après tes essais, l'utilisation à la verticale ne serait valable qu'en système seul et pas englobé dans un bloc ?

Tu peux faire la même simulation de la barre de carbone seule ?

D.

[yngwie]

dans le manche sous contraintes, il ya 3 sortes de fibres: etirées, compressées et neutres . le renfort carbone doit etre sur les fibres etirées, le plus loin possible des fibre neutres. un placage de carbone sur l'extrieur du bois sera plus performant qu'une grosse barre incrustée.

[mexuku]

- Est-ce que la colle est prise en compte dans ton montage ?

Oui. Sans colle l'efficacité du renfort serait à mon avis quasi nul

- D'après tes essais, l'utilisation à la verticale ne serait valable qu'en système seul et pas englobé dans un bloc ?

Oui. L'utilisation verticale n'est pas inutile. L'utilisation horizontale est juste plus performante. Comme le dit yngwie, le carbone doit être le plus loin possible de la fibre neutre.

Tu peux faire la même simulation de la barre de carbone seule ?

Pour la barre carbone seule pas besoin d’éléments finis. La théorie des poutres suffit. Voir ici
f=PL^3/3EI et I=bh^3/12 donc la fléche est inversement proportionnel à bh^3.
Pour du carbone horizontal 8x3: bh^3=8x3x3x3=216
Pour du carbone vertical 3x8: bh^3=3x8x8x8=1536
Le carbone vertical fléchira donc 1536/216 soit 7 fois moins qu'à l'horizontal. Il n'y avait pas besoin de faire le calcul: vous pouvez vous en rendre compte avec n'importe quel morceau de bois!

[Dagda]

Oui donc c'est pas horizontale vs verticale, mais isolée ou incluse dans un bloc !

D.

[Dagda]

Au fait, dans la video, c'est un test sans renforts et avec renforts ... et c'est sans appel, avec renforts à la verticale c'est plus résistant ... il est où le test avec renfort horizontal ?

[mexuku]

Oui donc c'est pas horizontale vs verticale, mais isolée ou incluse dans un bloc !

renfort-seul.jpg

Le renfort carbone seul fléchi de 2.6 mm à comparer aux 0.17mm du manche avec renfort vertical.

Au fait, dans la video, c'est un test sans renforts et avec renforts ... et c'est sans appel, avec renforts à la verticale c'est plus résistant

C'est ce que j'ai dit dans mon post. Le renfort vertical n'est pas inefficace, il est juste beaucoup moins performant que l'horizontal.

... il est où le test avec renfort horizontal ?

Pas chez un constructeur industriel qui selon ce que j'ai pu trouver mettent tous des renforts verticaux! Si quelqu'un est volontaire pour fabriquer deux manches et faire la vidéo...

[Spit]

SI je peux me permettre, je pense que les renforts sont installé de facon verticale c'est aussi pour un soucis de "place" dans le manche non? Parce que truss rod + 1 ou 2 renforts dans le manche ca commence à faire du monde et faut penser au futur galbe.

[Dagda]

Au fait, dans la video, c'est un test sans renforts et avec renforts ... et c'est sans appel, avec renforts à la verticale c'est plus résistant

C'est ce que j'ai dit dans mon post. Le renfort vertical n'est pas inefficace, il est juste beaucoup moins performant que l'horizontal.

... il est où le test avec renfort horizontal ?

Pas chez un constructeur industriel qui selon ce que j'ai pu trouver mettent tous des renforts verticaux! Si quelqu'un est volontaire pour fabriquer deux manches et faire la vidéo...

[Mode Saint Thomas : ON]
C'est toi qui vient nous dire que l'on fait n'importe quoi, que les professionnels font n'importe quoi, c'est donc à toi d'apporter la preuve scientifique que tu as raison, et une simulation n'est pas une preuve irréfutable !

D'un point de vu plus personnel, la vidéo du mec me convaincra 1000 fois plus qu'un tas de formules, certainement justes, mais on a, à mon sens, rien fait de mieux que le bon vieux test empirique !
[Mode Saint Thomas : OFF]

On connait un bon fournisseur de bois sur le forum si tu as besoin

D.

[fidler]

De plus sur lr forum que tu as mis en lien il n'y a qu'un seul renfort. Sur les manches il y a un truss donc pas de possibilité de mettre un seul renfort horizontal... Et avec 2 renforts verticaux, ce qui est possible avec un truss, c'est nettement plus rigide que sans les renfort. CF la vidéo. On ne demande pas à ce que le manche ne bouge plus jamais, mais simplement qui soit plus résistant à la traction, à ce qu'il soit moins sensible qu'un manche sans renforts. On doit pouvoir le régler quand même.

[alain deloin]

Je trouve cette démarche particulièrement intéressante, certes les simulations n' apportent pas une preuve irréfutable mais il faut bien reconnaître que les logiciels de simulation en RDM et en mécas sont extrêmement fiables et couramment utilisés en architecture et en travaux publics avec de très bon résultats.
Toutefois ne serait ce pas Damas qui serait le plus dans le vrai en disant qu 'un manche trop rigide en devient impossible à régler et que l' intérêt du renfort carbone est avant tout d 'éviter la vrille ?
En tous cas merci d 'avoir ouvert ce débat qui nous permet de remettre en question ce qu 'on tient un peu trop facilement pour définitivement acquis.

[mexuku]

Je veux bien les coordonnées du fournisseur de bois.

Toutefois ne serait ce pas Damas qui serait le plus dans le vrai en disant qu 'un manche trop rigide en devient impossible à régler

Il vaut mieux mettre le carbone au bon endroit et en mettre moins, c'est moins cher et moins lourd. En plus, le carbone à plat est beaucoup moins contraint et donc risque moins de casser. Sur cette autre vidéo de Kiesel, ils disent coller le renfort carbone avant usinage du dos du manche pour qu'il reste droit après usinage.

l' intérêt du renfort carbone est avant tout d 'éviter la vrille ?

La aussi, il vaut mieux mettre le carbone à plat pour s'éloigner de l'axe neutre.
J'ai aussi fait une simulation avec 100N appliqué de chaque coté du manche. Les déformations sont:
Bois seul: 0.017 mm
Renfort 3x8: 0.011 mm
Renfort 8x3: 0.008 mm
Conclusion: Le renfort horizontal est aussi plus performant en torsion!!!

Le renfort carbone vertical sera uniquement plus performant pour la flexion transversale mais le manche en bois l'est déja par sa grande largeur.

il faut bien reconnaître que les logiciels de simulation en RDM et en mécas sont extrêmement fiables et couramment utilisés en architecture et en travaux publics avec de très bon résultats.

Les résultats sont fiables si on entre les bonnes données. Il y a de nombreux pièges: valeurs d'entrée fausse, maillage trop grand... Mais ici, je ne pense pas me tromper car la théorie conforte le calcul logiciel: la matière doit être le plus loin possible de la fibre neutre.

Et avec 2 renforts verticaux, ce qui est possible avec un truss, c'est nettement plus rigide que sans les renfort.

Il est plus facile de placer 2 renforts horizontaux dans le manche que deux renforts verticaux car les bords du manche son fins. Certains d'entre vous sont déjà passés à travers. Il est aussi plus facile de faire une rainure de 8 mm profondeur 3mm que l'inverse.
Il y a deux familles d'utilisateurs de renforts carbone de manche très différents:
Les luthiers corde nylon qui ont traditionnellement un manche pur bois(cas du lien donné plus haut). Certains ajoutent un renfort carbone.
Les luthier carde métal qui on traditionnellement un manche à truss rod. Il faut alors deux renforts carbone pour conserver la symétrie.

[Dagda]

Je veux bien les coordonnées du fournisseur de bois.

https://www.facebook.com/NormandyTonewoods/
Ou tout autre fournisseur classique de bois, voir dans les liens du forum

D.