Développement d'un débobineur asservi sans-fil pour le tressage de composites textiles

La manipulation de fibres pour la réalisation de textiles a permis à l'être humain d'évoluer au fil des millénaires. Présentement, les textiles ne servent pas uniquement à la fabrication de vêtements, mais peuvent également servir pour des applications dans le domaine de l'ingénierie, telles que le tressage de matériaux composites. Celui-ci permet d'obtenir, suite à une infusion de résine, des structures composites rigides et légères pour des applications comme dans le domaine de l'aérospatiale. La fabrication de ces pièces commence sur des machines de tressage. Un type de machine populaire dans l'industrie est de type maypole. Des débobineurs se déplacent selon des trajectoires opposées grâce à des engrenages spéciaux horngears. Le déplacement des débobineurs créé des tresses avec les fils qui se débobinent. Pour maintenir le fil sous tension lors du tressage, celui-ci passe à travers une série de poulies et de surfaces de frottement. Un mécanisme de relâchement ainsi que des ressorts assurent une force moyenne constante dans le fil. La force de tension dans le fil est un paramètre important pour les procédés de tressage parce qu'elle permet au fil de se conformer à un mandrin (s'il y a lieu) et peut affecter diverses propriétés des tresses. La force est ajustée par un opérateur en remplaçant un ressort dans le débobineur avant le démarrage du procédé de tressage. La revue de littérature a fait ressortir plusieurs enjeux liés aux procédés de tressage circulaire et 3D, ainsi qu'aux débobineurs traditionnels. Parmi ces enjeux, une des causes principales de l'usure prématurée dans le fil est le frottement. La littérature démontre également que les propriétés mécaniques des pièces obtenues sont liées à la force de tension dans le fil lors du débobinage. Les quatre aspects que ce projet adresse sont l'usure par frottement du fil avec diverses surfaces de contact, l'usure par le mécanisme de relâchement des débobineurs traditionnels, l'ajustement de la force de tension et la variation de la force de tension pendant le tressage. Le premier objectif de recherche consiste à caractériser deux débobineurs traditionnels pour déterminer la variation de la force dans le fil selon deux matériaux filamentaires (fil de nylon et fibre de verre) et selon diverses vitesses de déroulement. Un banc de tests a été mis au point pour tester et analyser les données. Le premier débobineur étudié (offert par le LabSFCA) pouvait appliquer des forces de tension de 0.25 N à 1.5 N avec un écart-type entre 0.05 N et 0.3 N. Le second débobineur étudié (offert par le Groupe CTT) pouvait réaliser des forces de tension de 0.5 N à 4.5 N avec un écart-type entre 0.06 N et 0.43 N. Les résultats des deux débobineurs sont étroitement dépendants du matériau débobiné ainsi que de la vitesse de débobinage. Les débobineurs mécaniques engendraient des oscillations en dents de scie dans la force de tension. Le second objectif de recherche consiste à développer un débobineur actif devant offrir des meilleures performances que les débobineurs traditionnels. Ce débobineur utilise un moteur sans brosse (brushless DC motor – BLDC) contrôlé par commande vectorielle (field-oriented control). Cette manière d'asservissement permet de contrôler le courant dans les trois phases du moteur et, par une relation proportionnelle, contrôler le couple produit par le moteur. Un circuit de contrôle libre-accès (parODrive Robotics) a été adapté pour l'application du débobineur. Ce circuit de contrôle permet un asservissement en couple du moteur. Le débobineur actif possède un système pour mesurer le bras de levier effectif du fil par rapport à l'axe de rotation du moteur et il est ainsi possible de calculer la tension dans le fil. Ce système de mesure constitue l'unique source de frottement dans le nouveau débobineur.

Abstract

The braiding process of textile materials has been around for years and the emergence of the industry 4.0 has finally allowed for new breakthrough in the sector. The braiding of composite materials allows, after consolidation, the manufacturing of structures with interesting mechanical properties such as the making of very light weight and stiff structures in the desired axis. Such parts are used in areas where it is important to reduce as much as possible the weight of the machines, such as the aerospace sector. The manufacturing of braided parts begins with the braiding machine. One of the most common braiding process is called the “maypole braiding”. The braiding carriers move in a predetermined circular sinusoidal path thanks to special gears called “horngears”. Half of the carriers move in a clockwise motion and the other half in a counter clockwise motion. Thus, their motion causes the yarns to intertwine and build a braided mesh. The yarn unwinds from the carriers by passing through multiple pulleys and friction-inducing surfaces. A release mechanism combined with springs ensure that the yarn is always under tension. The tensioning force is a key parameter for obtaining the desired mechanical properties (such as the cover ratio of the fiber and the braiding angle). The tensioning force is adjusted by manually replacing one of the springs inside the carrier prior to the braiding manufacturing process. The literature presented many challenges regarding the maypole braiding, the 3D braiding, and the braiding carriers. The main cause of wear in the yarn during manufacturing has been identified as friction. The literature shows that the mechanical properties of the manufactured parts are tightly related to the tension in the yarn during the unwinding of the carriers. The three aspects that can me addressed in this research project are the wear of the yarns due to friction within the carrier, the adjustment of the tension in the yarn, and the variance of the tension during the braiding. The first research objective is te characterize two traditional carriers in order to identify the variation of the tension for two materials (nylon wire and glass fiber) at different unwinding speeds. A test bench has been constructed in order to conduct the characterisation tests and to analyze the test data. The first carrier studied (provided by ACFSLab) could apply tensions in the fiber from 0.25 N to 1.5 N with a standard deviation between 0.05 N and 0.3 N. The second carrier studied (provided by CTT Group) could apply tensions in the yarn from 0.5 N to 4.5 N with a standard deviation between 0.06 N and 0.43 N. These values were tightly related to the braiding material and the unwinding speed. Both carriers produced saw-shaped mechanical oscillations in the tension force. The second research objective is to develop an active carrier that would offer better performances than traditional carriers. This novel carrier uses a brushless DC motor controlled using field-oriented control. This method allows the precise control of the current in each one of the three phases of the motor. An open-sourced control circuit (developed originally by ODrive Robotics) has been adapted for our application. This driver is able to control the torque of the motor by “pushing” more current in the three phases. A measuring system has been implemented in our final solution to measure the effective lever of the yarn with respect to the motor axis. In doing so, it is possible to control the force in the yarn. This measuring system is the only source of friction in our novel carrier. The novel active carrier uses a Li-Po battery and is controlled by WiFi thanks to an on-board computer Raspberry Pi Zero W.