Comment les équipes de F1 fabriquent-elles des pièces en carbone ?

Les équipes de Formule 1 fabriquent des pièces en fibre de carbone en suivant un processus rigoureux, qui commence par une conception numérique et se termine par une cuisson en autoclave. La majorité des composants sont fabriqués à partir de fibre de carbone préimprégnée, découpée en couches dans des moules, mise sous vide, durcie sous pression et chaleur, puis découpée et testée pour l’utilisation en piste. Certaines pièces passent du concept à l’installation en seulement 45 heures.

La fibre de carbone est essentielle à la F1 moderne. Elle combine légèreté et solidité extrême, ce qui la rend idéale pour tout, du châssis et des ailerons aux suspensions et conduits de freins. Les pièces doivent résister à des charges élevées, aux températures et aux forces aérodynamiques tout en restant suffisamment légères pour optimiser les performances.

Comment la fibre de carbone est-elle fabriquée en F1 ?

Les pièces en fibre de carbone de Formule 1 sont fabriquées à partir de feuilles préimprégnées, des fibres de carbone pré-imbibées de résine, découpées avec précision, superposées dans des moules, puis durcies dans un autoclave sous chaleur et pression. Ce processus crée des composants rigides et légers capables de supporter des charges extrêmes en piste.

Fibre de carbone préimprégnée : la base de la construction F1

Les équipes de F1 utilisent la fibre de carbone préimprégnée parce qu’elle permet un contenu en résine constant et un contrôle précis de la solidité, du poids et de l’épaisseur. Le matériau arrive en rouleaux et est stocké à basse température pour retarder la polymérisation. Chaque feuille est découpée selon une forme spécifique au moyen de machines automatisées qui suivent les versions CAO.

Ces pièces sont ensuite placées dans des moules selon une orientation précise des fibres. La direction de chaque couche influence la solidité et la flexibilité de la pièce finale. Plusieurs couches sont souvent utilisées pour renforcer les zones soumises à des contraintes.

Moulage, durcissement et finition

Le moule, souvent fabriqué lui-même en fibre de carbone, est façonné pour correspondre à la pièce finale. Une fois la fibre préimprégnée en place dans le moule, celui-ci est mis sous vide et placé dans un autoclave. Il y est durci sous pression (jusqu’à 6 bars) et chaleur (entre 120°C et 180°C), ce qui solidifie la résine et lie les fibres.

Après durcissement, la pièce est refroidie, retirée du moule, découpée, inspectée et testée. De nombreuses équipes peuvent achever ce processus en moins de 48 heures, ce qui leur permet d’apporter des améliorations aérodynamiques entre les courses.

Les équipes de F1 fabriquent-elles leurs propres pièces ?

Les équipes de Formule 1 doivent concevoir et fabriquer les composants clés de leurs voitures en interne, mais elles sont autorisées à se procurer d’autres pièces auprès de fournisseurs ou d’équipes partenaires. Ce modèle permet aux équipes de rester des constructeurs tout en maîtrisant les coûts et la complexité.

Ce que les équipes doivent construire elles-mêmes

Selon le Règlement Technique de la FIA, les équipes doivent concevoir et posséder la propriété intellectuelle des éléments listés de l’équipe (LTC) suivants :

• La cellule de survie et l’arceau de sécurité principal
• Les structures d’impact avant
• Les composants aérodynamiques
• Le capteur de carburant et la vessie de carburant
• Les échangeurs thermiques principaux
• Les applications SECU de l’équipe

Les équipes doivent être en mesure de démontrer la pleine propriété et le contrôle du processus de conception de ces pièces. Cela est essentiel pour l’intégrité de la compétition et correspond au statut de la F1 en tant que championnat basé sur les constructeurs.

Quels composants peuvent être partagés ou achetés ?

Le règlement autorise les composants transférables (TRC), des pièces pouvant être partagées entre équipes, notamment dans le cadre de partenariats techniques. Exemples :

• Boîtes de vitesses et embrayages
• Éléments de suspension internes et montants
• Directions assistées
• Exutoires d’échappement au-delà de la turbine
• Certains éléments hydrauliques et du système carburant

Par exemple, Haas se fournit auprès de Ferrari pour plusieurs composants, tandis que Red Bull et Visa Cash App Racing Bulls ont élargi leur collaboration.

Qu’en est-il des pièces standardisées ?

Il existe des composants standards (SSC) que toutes les équipes doivent utiliser. Ils sont fournis par un fabricant désigné pour garantir l’égalité. Exemples :

• Calculateur électronique standard (ECU) et télémétrie
• Systèmes de freinage et capteurs de pression des pneus
• Caméras, feux arrière et enregistreur d’accident

Les composants en source ouverte (OSC) sont également disponibles pour toutes les équipes, comme la colonne de direction, le système DRS et les étriers de frein.

Pourquoi cela importe pour les pièces en fibre de carbone

La majorité des équipes fabriquent elles-mêmes leurs composants structurels et aérodynamiques en fibre de carbone pour préserver la confidentialité et les performances. L’écosystème de pièces en F1 est un équilibre réglementé entre autonomie et collaboration. Chaque pièce appartient à une catégorie bien définie, pour préserver l’innovation tout en maîtrisant les coûts.

Quel type de carbone est utilisé en F1 ?

Les équipes de Formule 1 utilisent des composites de fibre de carbone de qualité aérospatiale, conçus pour offrir les meilleures performances, rigidité et légèreté. Ce carbone est très différent de celui utilisé dans les vélos ou les garnitures automobiles. Il doit répondre à des exigences mécaniques et thermiques extrêmes en termes de fiabilité et de sécurité.

Fibre de carbone préimprégnée : la norme industrielle

Les équipes de F1 utilisent principalement de la fibre de carbone de qualité aéronautique, pour son excellent rapport résistance/poids, sa rigidité et sa résistance à la chaleur et aux contraintes. Elle est pré-imprégnée de résine époxy, ce qui permet un contrôle précis de l’orientation des fibres et du volume de résine lors de la fabrication.

Les feuilles de carbone préimprégné sont découpées, superposées dans des moules, puis durcies sous pression et température élevées dans un autoclave. Le résultat est un stratifié résistant et léger adapté à l’application spécifique.

Les principaux types de fibres et de renforts

Les équipes de F1 utilisent diverses fibres avancées telles que :

• Fibres à module standard pour les pièces structurelles générales
• Fibres à module intermédiaire ou élevé là où la rigidité est primordiale
• Tissus à nappes étalées qui réduisent le poids et améliorent la surface
• Fibres 3K, 6K, 12K, déterminant la finesse du tissage et les propriétés mécaniques

Ces fibres sont associées à des résines époxy spécialement formulées pour résister aux impacts, à la température et aux vibrations intenses.

Carbone à haut module vs module standard

Les ingénieurs F1 sélectionnent les types de fibre selon les besoins structurels. Le carbone à haut module est plus rigide, idéal pour les pièces comme les monocoques ou suspensions. Le carbone à module standard offre un bon équilibre entre flexibilité et résistance, et convient mieux à la carrosserie ou aux surfaces aérodynamiques.

Fibres unidirectionnelles et tissées

Le carbone utilisé en F1 se décline en fibres unidirectionnelles, où les brins sont tous orientés dans une même direction, et en tissus tissés, offrant une résistance multidirectionnelle. Les tissus tissés sont souvent utilisés dans les éléments visibles, tels que les carrosseries et les ailerons, pour des raisons esthétiques et techniques.

Critères thermiques et d’impact

Certains composants utilisent des matériaux hybrides, mélangeant la fibre de carbone à des fibres d’aramide comme le Kevlar ou le Zylon, renforçant la résistance aux impacts. Le Zylon est aussi obligatoire dans certaines structures du cockpit pour une protection accrue du pilote.

La fibre de carbone utilisée en F1 doit répondre à des normes strictes de sécurité et de performance. Elle est fournie par des spécialistes et stockée dans des conditions contrôlées avant fabrication.

Des alternatives durables émergent

Bien que le carbone traditionnel reste la référence, des équipes comme McLaren ont testé des composites à fibres naturelles (lin renforcé de résine) sur des composants non critiques pour réduire l’impact environnemental. La fibre de carbone recyclée est également en développement.

Comment les pièces en carbone sont-elles testées et validées ?

Avant d’être montée sur une voiture de F1, toute pièce en fibre de carbone est soumise à des tests rigoureux pour garantir sa sécurité, sa fiabilité et ses performances. Ces tests valident que la pièce résistera aux exigences des courses à haute vitesse.

Simulations et modélisation

La validation commence dans le monde virtuel. Les ingénieurs utilisent des analyses par éléments finis (FEA) pour simuler les contraintes (torsion, compression, cisaillement), la chaleur, les vibrations et la fatigue. Ces simulations optimisent la disposition des fibres et l’épaisseur du matériau avant fabrication.

La modélisation thermique vérifie sa tenue aux températures élevées générées par les freins ou les moteurs. Des tests de vibrations prédisent le comportement des pièces soumises aux oscillations du véhicule en mouvement.

Tests réels d’impact et de résistance

Après les simulations, la pièce est fabriquée et soumise à des essais physiques. Les tests de charges statiques reproduisent les pressions subies en piste. Des jauges de contrainte mesurent la déformation et vérifient qu’elle reste supportable.

Les simulations de crash sont essentielles pour les pièces critiques comme la monocoque. Ces composants doivent absorber de grandes quantités d’énergie sans céder afin de protéger le pilote.

Des tests de durabilité sur cycles longs imitent l’usure de plusieurs grands prix pour repérer les points faibles et améliorer la longévité des pièces.

De quoi étaient faites les F1 avant la fibre de carbone ?

Avant l’arrivée de la fibre de carbone dans les années 1980, les voitures de F1 étaient essentiellement fabriquées en alliages d’aluminium et, avant cela, en acier. Si ces matériaux offraient une certaine robustesse, ils pénalisaient le poids total.

Châssis tubulaires en acier : les débuts

Dans les années 1950-60, les châssis tubulaires soudés dominaient, avec une structure triangulée assurant une certaine rigidité. Ces structures étaient lourdes et peu protectrices en cas de crash.

Monocoques en aluminium : une avancée majeure

Fin des années 1960, la Lotus 25 introduit un châssis monocoque en aluminium, plus rigide et léger, qui devient la norme en F1 pendant près de 20 ans. Plus légers que l’acier, ces châssis utilisaient également des structures en nid d’abeilles.

La révolution de la fibre de carbone

En 1981, McLaren introduit la MP4/1, première F1 avec une monocoque intégralement en carbone. Conçue par John Barnard, elle prouve immédiatement sa supériorité avec la survie d’un crash à Monza. Le reste du paddock suivra rapidement.

Aujourd’hui, l’aluminium et l’acier sont toujours utilisés comme renforts, mais la fibre de carbone est le matériau de référence.

Pourquoi la fibre de carbone est-elle idéale pour la F1 ?

La fibre de carbone convient parfaitement à la F1 : elle offre une forte rigidité, une excellente résistance à la traction, une grande légèreté, une résistance chimique et thermique. Ces propriétés permettent de construire des pièces solides et légères, améliorant la sécurité, la vitesse et l’efficacité.

La légèreté booste les performances

Plus une voiture est légère, plus elle accélère, freine et tourne rapidement. La fibre de carbone, plus légère que les métaux classiques, permet aux ingénieurs d’économiser du poids tout en maintenant la solidité des structures.

La rigidité améliore le ressenti du pilote

La fibre de carbone ne se déforme presque pas sous contrainte, ce qui améliore la précision du châssis et des suspensions. Le pilote ressent mieux les réactions de la voiture, notamment en virage rapide ou au freinage brutal.

Une protection intégrée contre les crashs

Sa structure en couches permet à la fibre de carbone d’absorber l’énergie d’un choc. Des éléments clés tels que la cellule de survie, les attaches de roue et le halo sont fabriqués en carbone pour protéger le pilote.

Conçue pour maximiser l’aérodynamique

La fibre de carbone est facilement moulable, permettant un modelage précis des surfaces aérodynamiques, réduction de traînée et génération d’appui.

La fibre de carbone a révolutionné la construction des voitures de F1. Grâce à son rapport solidité/poids imbattable, sa résistance à la chaleur, et à sa rigidité, elle est le matériau de prédilection du châssis aux pièces aérodynamiques. Avec des règles FIA strictes encadrant la fabrication interne, chaque pièce en carbone résulte d’un processus maîtrisé de simulation numérique, cuisson en autoclave et tests rigoureux.

Alors que la durabilité devient une priorité et que la science des matériaux évolue, les équipes explorent de nouvelles méthodes pour construire des voitures plus rapides, sûres et efficaces. Entre les matériaux biosourcés et les fibres recyclées, l’avenir de la fibre de carbone en F1 est aussi dynamique que le sport lui-même.

FAQ sur les pièces en carbone F1

Traduit à partir de l’article anglais “How Do F1 Teams Make Carbon Parts?“