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.