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PRESENTATION
Le Green&Bike est un tricycle cargo conçu pour démontrer une approche de la durabilité en utilisant des matériaux structurels non conventionnels et un design mécanique innovant. L'objectif principal est de proposer une alternative attrayante aux fourgons de livraison et autres véhicules motorisés en zone urbaine, réduisant ainsi leur impact environnemental. Le véhicule se distingue par sa poutre principale unique en composite de fibres de lin, ainsi que par l'utilisation de bambou et de polymères écoresponsables, afin de valider l'emploi de ces matériaux pour un usage quotidien pendant une longue période, même dans des conditions difficiles que peut rencontrer un tricycle cargo.
ARCHITECTURE ET DESIGN
Structure et Composants
L'élément structurel central du véhicule est une poutre composite monocoque de section trapézoïdale variable, conçue spécifiquement pour exploiter les propriétés des composites à base de fibres de lin. Cette poutre intègre des inserts en aluminium localisés et un noyau en mousse. Elle sert de structure principale reliant tous les systèmes majeurs du véhicule. L'objectif est de démontrer que les composites de lin sont une alternative viable aux matériaux conventionnels tels que les métaux et les composites en fibres de carbone, en termes de durabilité, de performance mécanique et de confort de conduite. Le véhicule est assisté, utilisant l'unité de pédalage intégrée VALEO 'Cyclee' avec une batterie et une interface IHM VALEO. La roue arrière est entraînée par une transmission à courroie CarbonGates. Les trois roues sont équipées de freins à disque hydrauliques Tektro. Le toit du véhicule comporte un panneau solaire, qui sera adapté pour fournir une énergie supplémentaire. Les roues avant et les axes sont des roues hybrides Alligt 50-406 disponibles dans le commerce, avec une jante en aluminium et des rayons en fibre de verre/nylon, qui sont les plus robustes de la gamme Alligt. Le train arrière sera fabriqué sur mesure, en utilisant certaines pièces disponibles dans le commerce. La roue arrière est une large roue de fat-bike 20x4, équipée d'une jante en aluminium à double paroi standard, de rayons 4 mm de moto et de bâtons imprimés en 3D en PA11 avec des fibres de carbone (SLS). Elle est montée sur un moyeu sur mesure, inséré dans un mono-bras oscillant (fixé d’un seul coté). Tous les deux le disque de frein et le sprocket arrière sont situés du côté droit. La raison de la conception sur mesure du train arrière était de permettre un accès libre au côté gauche de la roue, conçu pour accueillir notre solution de batterie mécanique en développement. Le bras oscillant est suspendu grâce à un amortisseur disponible dans le commerce, ce qui améliore à la fois le confort de conduite et la longévité de la structure en composite, même sous des charges élevées.
Le tricycle utilise un système de direction à pivot central, choisi pour sa simplicité et sa robustesse éprouvées depuis les décennies dans les cycles néerlandaises de type ‘bakfiets’. Les interfaces de la poutre centrale sont réalisées en utilisant des techniques de conception simples : des tôles acier découpées au laser et/ou pliées, soit vissées, soit soudées. Quelques ferrures, ainsi que les moyeux de roues avant, sont fabriqués en aluminium ou en acier usiné par CNC. La structure de la zone de chargement et de la porte est constituée de profils en acier soudés. Le guidon est un tube en acier cintré, monté sur des silent blocs. Le tube de selle est monté sur deux glissières de siège de voiture disponibles dans le commerce, permettant un large ajustement de la position de la selle, convenant aux personnes mesurant de 154 cm à 194 cm. La selle elle-même est un modèle en liège disponible dans le commerce.
La sous-structure avant comprend une béquille rétractable en acier, conçue pour
supporter le poids d'une personne sur la zone de chargement. L'avant du véhicule est doté d'un pare-chocs, avec une poutre porteuse en aluminium et des pièces polymères de déformation imprimées en 3D (FDM).
Le reste des composants sont soit disponibles dans le commerce, soit prototypés en 3D (FDM).
Le Green&Bike est conçu pour transporter
- jusqu'à 150 kg sur la zone cargo avant et
- jusqu'à 120 kg pour le conducteur.
La zone de chargement est conçue pour accueillir une europalette, facilitant ainsi le chargement et le déchargement. Les caractéristiques incluent une zone cargo plat avec une porte avant servant également de marchepied, des rails de fixation, et de larges ouvertures à l'avant, au cotés et au-dessus. Le sol et les surfaces arrière sont recouverts de panneaux remplaçables, conçus pour résister à l'usure intensive.
Le véhicule est également équipé de trois sacoches sur mesure, servant de compartiments de rangement, fabriquées en matériau impérméable et recyclé VX21 XPAC.
Le dessous de la zone de chargement est équipé d’une grande tôle de protection en aluminium qui contient une roue de secours avant.
La zone de chargement est modulaire et peut être retirée de la poutre centrale avec seulement trois vis, permettant ainsi de remplacer le train avant par d’autres configurations, telles que différentes tailles de zones de chargement ou un design entièrement différent, comme un delta-trike entièrement suspendu (en cours de développement par AKKODIS).
MATERIAUX DURABLES
Choix des Matériaux
L'une des caractéristiques uniques de notre concept est l'utilisation de composite de fibres de lin comme matériau structurel principal pour le cadre. Cela suit la philosophie de conception des voitures, des bateaux et des aéronefs avancés, où une seule pièce de structure composite sert de membre structurel principal, conçue sans renforts supplémentaires (un design monocoque) et fabriquée en une seule étape.
Cette approche aboutit à un design efficace en poids, nécessitant peu d'entretien et conservant les performances souhaitées tout au long de sa durée de vie. Par exemple, il ne grince pas après des années de service, car il n'y a pas de fixations qui peuvent se desserrer avec le temps.
L'utilisation du lin lui-même présente de nombreux avantages : les fibres de lin constituent une solution à très faible empreinte carbone pour la culture et le traitement, et nous pouvons bénéficier des champs de lin nationaux, car cette industrie de plante technique est développée en France. Ses performances mécaniques sont comparables à celles des matériaux composites haute performance, tels que les composites en fibres de carbone ou de verre, lorsqu'il s'agit de structures conçues pour la rigidité plutôt que pour la résistance (notre cas). Comparées aux matériaux mentionnés précédemment, les fibres de lin sont beaucoup plus durables (elles ont environ 40 fois moins d'empreinte carbone que les fibres de carbone). De plus, les composites en fibres de lin sont robustes et résilients, et amortissent naturellement les vibrations de conduite. En revanche, l'utilisation de composites stratifiés nous a permis de créer une forme unique, qui suit directement les fonctions, sans les restrictions de conception liées aux matériaux métalliques. Par exemple, un équivalent métallique de notre poutre centrale en termes de rigidité et de poids aurait dû être constitué de nombreuses petites treillis ou coquilles fermées, incorporant des centaines de point de fixation permanente (soudé ou collé) ou centaines des vis. En plus, en raison des limitations des semi-produits métalliques, les éléments de structure auraient été inefficaces en termes de poids : les treillis et les principaux éléments structurels, tels que les longerons, auraient été fabriqués à partir de tubes et de profils de section constante et alors ils auraient été surdimensionnés.
Quant aux éléments à géométrie simple, nous avons utilisé d'autres alternatives durables aux matériaux conventionnels : les longues et fines éléments des parois latérales du plateau de chargement sont faites de chaumes de bambou avec des noeuds en composite de fibres de lin. Le sol du plateau de chargement est recouvert de panneaux en polymère recyclé (PP), issus de gisements locaux (La Fabunit), ce qui représente la prochaine étape dans le recyclage des polymères. Ces panneaux sont conçus pour résister à l'usure intensive et sont facilement remplaçables.
La couche intermédiaire de la zone de chargement est constituée de panneaux alvéolaires en PC léger (Thyssenkrupp), dont la fonction est d'épaissir le sol et de rendre la surface de chargement plate, sans pénalité de poids significative. Ce choix a été fait en raison de la relative simplicité du recyclage, car ils sont mono-composants.
Ensuite, la couche finale de la zone de sol (et de la porte) est composée de panneaux sandwich (Kairos), utilisant des anas de lin ou du liège comme le renfort, et du PLA comme matrice. Nous souhaitons mettre cette alternative à durable à l'épreuve pour l'exploitation quotidienne du vélo cargo, en raison de leur faible empreinte carbone par rapport aux panneaux en MDF ou en mousse polymère conventionnels (tels que le PET), ainsi que des diverses options en fin de vie (recyclage et compostage industriel).
Le reste du design (la structure de la zone de chargement et les interfaces du cadre) est fait d'aluminium et d'acier, car ces parties n'étaient pas l'objet de notre étude sur les matériaux et servent simplement d'éléments nécessaires au fonctionnement du véhicule.
L'un des principaux défis du Green&Bike est de rendre la structure en composite de fibres de lin économiquement viable pour la production. Alors que le développement de prototypes peut coûter des dizaines de milliers d'euros, la mise à l'échelle vers un produit commercial nécessite des méthodes de production innovantes pour réduire les coûts. Un autre défi important est de trouver des alternatives durables aux résines époxy conventionnelles. Bien que ces résines soient efficaces, elles ne correspondent pas aux objectifs de durabilité du projet, car ils sont d’origine pétrolière et elles ne se recyclent pas.
L'exploration des thermoplastiques durables, tels que le PA11 (nylon biosourcé), s'est avérée difficile car ces matériaux nécessitent des températures de traitement élevées qui peuvent dégrader les fibres de lin. De même, le PLA est une option biosourcée, mais avec ces limitations à cause de sa résistance limitée aux UV. Les systèmes de résine recyclables, comme Elium d'Arkema, offrent une alternative prometteuse mais sont difficiles à utiliser avec les fibres naturelles. Les premiers essais qui ont été menés dans le cadre du projet, avec les méthodes de fabrication de composites conventionnelles, telles que l'infusion de résine et le moulage sous vide, n'ont pas donné de résultats satisfaisants en termes d'imprégnation des fibres et de performance mécanique.
Développer un processus qui assure une bonne adhésion et une qualité constante, tout en maintenant les avantages environnementaux des composites de lin, reste un effort complexe et en cours.
En plus des défis liés aux matériaux, il manque des données historiques sur la durabilité à long terme des composites en fibres de lin. Par conséquent, il est difficile de prédire la durée de vie de ces composants dans des conditions réelles. C'est un aspect crucial, car l'un des objectifs du projet est de garantir que le véhicule dure au moins 20 ans. Pour y parvenir, nous développerons des tests de longévité, ainsi qu’une stratégie de maintenance et de réparation qui soutient la longévité des matériaux composites.
Tests et Validation des Matériaux
Étant donné que le prototype que nous réalisons est un démonstrateur à échelle réelle au niveau de maturité technologique TRL6, il sera soumis à des tests en environnement naturel avec des charges variables et des exigences de missions différentes. Cela permettra de valider l'utilisation de ces matériaux non conventionnels dans des conditions d'utilisation réelles.
Défis de Production
La fabrication de la poutre composite unique en fibres de lin est complexe et coûteuse au stade de prototype. L'objectif est de développer des processus évolutifs pour réduire les coûts en production.
MARCHE ET APPLICATION
Utilisateurs Cibles
Le Green&Bike ne cherche pas à créer un nouveau segment de marché, mais propose une solution alternative au sein du marché existant des cycles cargo de chargement lourd. Il vise à attirer les entreprises de logistique, les petites entreprises et les utilisateurs individuels à la recherche d'un véhicule de transport urbain durable et efficace.
Conformité Réglementaire
Le Green&Bike est conçu pour être conforme aux normes EN 15194 pour les VAE, pour une utilisation urbaine sur les infrastructures cyclables, et sans besoin d’immatriculer ni assurer le véhicule.
Développement Futur
Le Green&Bike vise à collaborer avec des partenaires pour le R&D, l'industrialisation, la fabrication et la commercialisation du produit. Les projets futurs incluent l'exploration de nouveaux matériaux durables, l'amélioration des fonctionnalités du véhicule et l'expansion potentielle de la gamme de produits pour offrir diverses configurations et fonctionnalités adaptées aux besoins variés des utilisateurs.
Fichier Véhicule (AAP Ideation) : Fichier Véhicule (AAP Proto) : Fichier associé au guide de montage : Lien vers un espace de stockage des fichiers 3D : Partenaire impliqué (industriel, fablab, labo...) :
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