Alors que les villes du monde entier étendent leurs réseaux de pistes cyclables et que de plus en plus de cyclistes descendent dans les rues, les risques d’accidents de vélo et de collisions potentielles augmentent également, ce qui souligne la nécessité d’une bonne sécurité à vélo dans les zones urbaines denses.
Selon un rapport de l’Organisation mondiale de la santé publié en 2020, plus de 60 % des décès et des invalidités de longue durée liés à la bicyclette sont le résultat d’accidents avec traumatisme crânien.
Des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour), en collaboration avec le leader français des matériaux de spécialité, Arkema, ont développé un casque de vélo plus résistant et plus sûr en utilisant une combinaison de matériaux. Le nouveau prototype de casque a une absorption d’énergie plus élevée, réduisant la quantité d’énergie transférée à la tête d’un cycliste en cas d’accident et réduisant les risques de blessures graves.
Dirigée par le professeur agrégé Leong Kah Fai de la School of Mechanical and Aerospace Engineering, l’équipe, composée de la chercheuse Dr Bhudolia Somen Kumar, de l’associé de recherche Goram Gohel et de l’étudiante à la maîtrise Elisetty Shanmuga, a créé le casque composite avec une coque extérieure composée type de résine thermoplastique acrylique, renforcée de fibre de carbone.
La nouvelle résine thermoplastique, nommée Elium®, a été développée par Arkema, l’un des partenaires industriels de NTU. L’équipe NTU a travaillé avec les ingénieurs d’Arkema pour développer un procédé de moulage pour Elium® afin de fabriquer des casques de vélo plus résistants.
Notre partenariat avec Arkema est motivé par la volonté de développer un nouveau type de casque plus solide et plus sûr pour les cyclistes. Il a été prouvé à maintes reprises que les casques jouent un rôle essentiel dans la réduction de la gravité des blessures et du nombre de décès. Notre prototype de casque a été soumis à un barrage de tests de référence internationale et a démontré sa capacité à offrir une meilleure protection aux cyclistes par rapport aux casques conventionnels.. »
Leong Kah Fai, professeur agrégé, École de génie mécanique et aérospatial, Université technologique de Nanyang
Les résultats de l’équipe de recherche ont été publiés dans la revue à comité de lecture Composites Part B: Engineering en mai.
La coque extérieure plus résistante et plus rigide absorbe plus d’énergie
Les casques de vélo sont constitués de deux éléments. Le premier est une coque extérieure, généralement fabriquée à partir d’un plastique produit en série comme le polycarbonate. En dessous se trouve une couche de mousse de polystyrène expansé – le même matériau utilisé dans l’emballage des produits et les boîtes à emporter.
La coque extérieure est conçue pour se fissurer lors de l’impact afin de dissiper l’énergie sur toute la surface du casque. La couche de mousse se comprime et absorbe alors la majeure partie de l’énergie d’impact de sorte que moins d’énergie est transférée à la tête.
Le casque composite de l’équipe remplace la coque extérieure conventionnelle en polycarbonate par une autre en Elium® renforcé de fibre de carbone.
Ce renfort rend la coque extérieure plus résistante, plus rigide et moins cassante qu’une coque en polycarbonate. Cela augmente également le temps de contact du casque, qui est le temps total d’impact pendant lequel le casque subit une charge d’impact.
Ces propriétés permettent à la coque extérieure d’absorber plus d’énergie d’impact sur une plus longue période, tout en la dissipant uniformément dans tout le casque. Cela se traduit par moins de force globale atteignant la tête, réduisant ainsi les risques de blessures graves.
« Lorsque le casque heurte une surface à grande vitesse, nous avons remarqué qu’il y a une déformation avec la défaillance de propagation de la coque composite, ce qui signifie que la coque extérieure prend plus de charge et absorbe plus d’énergie », a déclaré le Dr Somen. « C’est ce que vous voulez vraiment – plus l’impact est absorbé par la coque, moins il atteint la mousse, et donc il y a moins d’impact global sur la tête. Nous avons constaté que dans les casques en polycarbonate existants, environ 75 pour cent des l’énergie est absorbée par la mousse. Ce n’est pas idéal car la mousse est en contact direct avec la tête humaine.
En revanche, la coque composite du casque de l’équipe a absorbé plus de 50 % de l’énergie d’impact, laissant la mousse absorber beaucoup moins d’énergie à environ 35 %.
Sécurité forgée sur les enclumes de NTU
Les chercheurs ont testé leurs casques en les faisant descendre à grande vitesse sur trois types d’enclumes différents – plats, hémisphériques (arrondis) et en bordure (en forme de pyramide) – pour simuler différentes conditions de route.
Ce sont les mêmes tests que ceux utilisés pour la certification de la norme US Consumer Product Safety Commission (CPSC 1203), une norme de sécurité internationalement reconnue pour les casques. Le prototype de casque de l’équipe répond à toutes les directives CPSC 1203.
Les chercheurs ont accordé une attention particulière aux forces d’accélération maximales, qui mesurent la force qu’un casque prend en fonction de la vitesse à laquelle il se déplace au point d’impact. Un casque doit avoir une accélération maximale de moins de 300 G (force g) pour être jugé apte à être utilisé sous CPSC 1203, les valeurs de force g inférieures étant plus sûres.
Sur deux tests d’enclume plate, les casques des chercheurs se sont comportés à égalité avec un casque de contrôle en polycarbonate, produisant des résultats de 194,7G et 197,2G contre 195,4G et 198,2G pour le contrôle.
Cependant, des tests sur les enclumes hémisphériques et curbstone ont montré des améliorations substantielles du casque composite de l’équipe par rapport à celui en polycarbonate. Lors de deux tests d’enclume hémisphérique, le casque composite a enregistré 100,9 G et 103,1 G, tandis que le casque de contrôle avait une accélération de pointe beaucoup plus élevée de 173 G et 178,7 G.
Sur un seul test d’enclume de bordure, les casques des chercheurs ont enregistré 111,7 G, une amélioration notable par rapport au casque de référence qui a produit un résultat de 128,7 G.
Les chercheurs se sont référés à la mesure de blessure la plus largement utilisée, appelée Head Injury Criterion (HIC), pour calculer la probabilité de blessures graves et de décès lors de l’utilisation du casque. Les valeurs HIC sont dérivées d’une combinaison de valeurs d’accélération maximales et de la durée de l’accélération.
L’analyse par l’équipe des résultats du test de l’enclume plate et du HIC a montré que le casque composite pourrait potentiellement réduire les taux de blessures critiques et mortelles de 28,7 % et 6 % à 16,7 % et 3 % respectivement, par rapport à un casque en polycarbonate.
Même si l’accélération maximale était à peu près égale entre les deux types de casques, la coque extérieure plus résistante du casque composite a entraîné une durée d’accélération plus longue lors de l’impact. Cela permet à la coque extérieure d’absorber plus d’énergie, générant ainsi un HIC plus faible, ce qui signifie moins de risques de blessures critiques et mortelles.
Une fabrication plus efficace pourrait conduire à des casques moins chers et plus résistants
Le casque prototype est également plus facile à produire qu’un casque conventionnel. L’utilisation d’Elium® au lieu d’autres thermoplastiques conventionnels simplifie le processus de fabrication des casques composites.
Elium® est liquide à température ambiante, ce qui lui permet d’être moulé à température ambiante contrairement aux autres coques composites à base de thermoplastique qui nécessitent un traitement à plus haute température.
Les chercheurs du NTU travaillent avec Arkema pour commercialiser le procédé de fabrication du casque, ce qui permettrait aux fabricants intéressés de les produire. Assoc Prof Leong dit que les casques produits grâce à leur méthode offriraient la même protection que les casques de haut niveau actuels, mais potentiellement au prix des casques de milieu de gamme (100 $ à 150 $).
Les chercheurs travaillent actuellement au développement de casques composites en Elium® et en tissu polypropylène, un autre type de thermoplastique. Il s’agit de surmonter le seul compromis actuel des casques composites, à savoir qu’ils pèsent environ 20 % de plus que les casques en polycarbonate.
Les casques en tissu Elium® et polypropylène les rendront potentiellement aussi légers que ceux en polycarbonate mais offriront une meilleure protection.
