Dans l'héritage : Comment un catamaran de 30 ans continue de battre des records de vitesse

Gougeon Brothers Inc. (Bay City, MI, États-Unis) a récemment diffusé un communiqué intéressant sur un catamaran de 28 ans qui bat encore des records de vitesse et surpasse des embarcations bien plus récentes. Incognito est un catamaran composite fabriqué par Gougeon Manufacturing en 1990. Russell Brown de Port Townsend, WA a couru en solitaire le R2AK (Race to Alaska) de 28 ans, un G32. À l'étape de qualification de Port Townsend WA à Victoria, BC, il a terminé 40 minutes devant le reste de la flotte. Il a ensuite mené la course pendant trois jours et a été le premier finisseur en solitaire pour la deuxième année consécutive, améliorant de plus de 24 heures son record de 2017, à bord du même bateau.

J'ai été surpris de trouver sur le site Gougeon un long document détaillé de développement, conception et construction (dernière mise à jour : 1996) décrivant le processus minutieux que Meade et Jan Gougeon ont mené pour créer ce G32 rapide, ce qui explique probablement son succès 28 ans plus tard. J'ai emprunté des sections ci-dessous, et vous pouvez lire le document intégral ici : https://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/welcome.html .

Genèse du projet G-32

« Quand nous avons décidé de rouvrir notre usine de fabrication de pales éoliennes en 1990, inactive depuis trois ans suite à l'effondrement dramatique de l'industrie éolienne en 1986, nous avons accepté que cette industrie était encore loin de retrouver sa santé d'antan. Nous devions partager les frais généraux de l'usine avec un second produit en attendant le retour de l'activité éolienne. En plus des pales, nous avons commencé à fabriquer un catamaran unique, remorquable, de 32 pieds, appelé le "G-32". Mon frère Jan et moi pensions depuis longtemps qu'il y aurait un grand marché pour un catamaran léger, rapide, amusant à naviguer, avec hébergement week-end pour 2 ou 3 personnes, à moins de 35 000 $. Nous n'avions pas l'intention d'une grande production ; si nous pouvions construire deux par semaine nous atteindrions nos objectifs financiers, trois par semaine serait rentable. »

Conception et défi poids

« Le G-32 était conçu pour que toute la structure puisse être construite en deux grands moules, un supérieur et un inférieur, à assembler sur la ligne médiane en une seule grande opération de collage. Cela permettait un investissement minimal en outillage et moules, rendant la production à faible volume financièrement faisable. Le plus grand défi de conception était de construire le G-32 assez léger pour être remorqué par une voiture de taille moyenne. Pour cela, le poids combiné bateau + remorque ne devait pas dépasser 2 200 lbs (≈ 998 kg). Notre approche s'est concentrée sur deux axes : premièrement, concevoir le bateau avec le moins de poids superflu possible. Nous avons minimisé la surface et conçu soigneusement la structure pour supporter les charges anticipées. Par exemple, la cabine servait de grand caisson de torsion pour donner la résistance à la torsion nécessaire entre les deux coques. Deuxièmement, utiliser la technologie de construction la plus légère que nous puissions nous permettre dans nos objectifs de coût. Nous ne pouvions pas dépenser plus de 10 $/lb pour les coques moulées, et celles-ci ne devaient pas dépasser 800 lbs (≈ 363 kg) au total. »

Innovation procédée : stratification sous vide en une seule étape

Les frères Gougeon expliquent que malgré les problèmes d'impression de surface (print-through) lors du sacage sous vide de cœurs dans des peaux extérieures posées main dans des moules femelles, le sacage sous vide et l'infusion étaient indispensables pour économiser le poids du stratifié. Pour économiser à la fois poids et coût, ils ont choisi une nouvelle méthode de fabrication pour l'époque, avec les étapes suivantes :

1. Résine époxy formulée avec un temps ouvert plus long, pour propriétés maximales, le temps ouvert permettant une seule étape de vide, avec tout le stratifié compacté d'un coup.
2. Gelcoat polyester dans moules femelles pour une surface finie à faible coût avec un minimum d'impression. Ils notent avoir résolu le problème significatif d'adhérence entre la surface gelcoat polyester et le stratifié époxy avec un produit d'accroche spécialement développé, appliqué entre les deux matériaux dissemblables pendant la fabrication.
3. Tous les matériaux de renfort seraient imprégnés mécaniquement par une machine à rouleau (roll-coater) pour réduire la main-d'œuvre et obtenir un meilleur contrôle de la résine.
4. La résine époxy à long temps ouvert spécialement conçue serait post-polymérisée à des températures ne dépassant pas 60 °C (140 °F) pour atteindre de hautes propriétés physiques.

Les deux frères ont évalué soigneusement les matériaux de renfort pour faire le meilleur stratifié, considérant coût, performance panneau, main-d'œuvre d'assemblage et qualité de surface extérieure finie. Une matrice de 30 combinaisons a été initialement évaluée (tableau visible ici : https://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/goufig1.htm) avec focus sur le verre E cousu. Le cœur a été soigneusement évalué, en plusieurs épaisseurs et matériaux, comme composant le plus cher. Le système de résine époxy PRO-SET, avec temps ouvert de 4 heures, a été développé dans les propres laboratoires de Gougeon expressément pour ce nouveau procédé.

Tests et sélection finale

Les deux frères ont construit 30 panneaux tests avec les matériaux de la matrice, puis réduit à 12 combinaisons pour tests de fatigue sur le banc Hydromat de l'entreprise. Leur question clé : « Quelle rigidité était nécessaire pour que le bateau performe correctement dans les conditions d'exploitation les plus sollicitées ? » Ils disent que basés sur les résultats, des modifications de conception ont été faites pour réduire les zones plates du bateau, ces zones nécessitant une rigidité supplémentaire, permettant ainsi d'utiliser un panneau moins rigide, moins cher.

« Nous avons déterminé que la résistance à long terme des panneaux aux charges de fatigue cycliques soutenues de 5 psi et charges d'impact intermittentes approchant 15 psi étaient nécessaires pour la survie à long terme de la structure du G-32. Ce critère n'a pas été établi scientifiquement, comme par mesures réelles avec jauges de contrainte (difficile à faire). Il reflétait plutôt notre expérience avec la performance de plusieurs combinaisons matériaux utilisées pour construire de nombreux navires avec divers succès et échecs au fil des ans. C'est l'approche typique, historique, essai-erreur de la conception et ingénierie navale, qui n'a pas bien servi l'industrie depuis le développement révolutionnaire récent des matériaux composites. De nouvelles méthodes de test, comme l'Hydromat, tentent de mieux évaluer la performance des matériaux composites d'une façon qui simule au plus près les conditions de charge réelles, pour permettre des décisions plus éclairées. »

Le document décrit en détail le processus de test de fatigue à cycle court. La combinaison matériaux finalement choisie, disent les auteurs, « n'était pas le panneau le plus fort évalué dans aucune des zones structurelles de rigidité, résistance ultime, ou fatigue. Il était cependant plus qu'adéquat pour supporter les besoins structurels du projet bateau G-32. Plus important, le panneau #48 a bien performé dans trois autres domaines : coût, poids, et facilité de fabrication. » Le panneau #48 consistait en peaux fibres de verre multiaxiales de Brunswick Technologies Inc. sur cœur mousse PVC Klegecell de DIAB.

Intéressant, l'une des parties les plus difficiles du projet, disent-ils, était d'obtenir une finition extérieure haut brillant sans le poids excessif que les gelcoats peuvent ajouter. La solution fut d'avoir un individu hautement formé faisant la meilleure application de gelcoat possible, disent les frères Gougeon.

Malgré le soin apporté à la conception et sélection matériaux, l'objectif de coût de 10 $/lb de stratifié fini n'a pas été tout à fait atteint, car fin 1992, les frères ont décidé de vendre la division énergie éolienne, éliminant la raison principale du projet bateau. La production s'est arrêtée peu après, après fabrication de seulement 14 G-32. Mais, disent-ils, la technologie de construction navale époxy développée avec le G-32 est maintenant largement utilisée dans la construction de bateaux haute performance, construits en moules femelles. Meade et Jan Gougeon croient que leur procédé de fabrication a dramatiquement réduit le coût de fabrication des bateaux époxy, comparé au coût de construction de bateaux custom sur moules mâles. De plus, cela a éliminé le styrène, et fourni un meilleur contrôle sur le temps ouvert et les vitesses de polymérisation. Ils concluent : « ... les 14 G-32 construits ont performé comme prévu, sans aucune défaillance structurelle. Un bonus est que leur poids léger, combiné à des coques longues et fines, a fait des bateaux excessivement rapides qui ont gagné de nombreuses courses. » Et 28 ans plus tard, ils continuent de gagner !