Développement d'un procédé automatisé pour la mise en forme de préformes textiles pour les matériaux composites

Les matériaux composites sont de plus en plus présents dans les domaines de hautes performances tels que l'automobile et l'aéronautique. Depuis quelques années, les procédés de fabrication de composites à base de fibre de carbone se tournent de plus en plus vers l'utilisation de préformes textile. Ces dernières permettent de diminuer drastiquement le temps de production des pièces en composites. Cependant, la fabrication des préformes textiles souffre de plusieurs problèmes, entre autres, beaucoup d'opérations sont faites à la main et induisent ainsi de très long cycles de fabrication en plus de défauts dans le produit final. Le projet présenté par ce mémoire expose une solution robotique pour la fabrication des préformes textiles des matériaux composites à base de fibres de carbone (CFRP) telle que développée au Groupe CTT (GCTTG). En effet, l'hypothèse ici posée est que l'automatisation d'un tel procédé permet de réduire le temps de fabrication des préformes textiles en plus d'augmenter leur qualité. Plus en détail, les objectifs spécifiques sont d'optimiser les opérations de découpe, d'automatiser la manipulation des tissus et le changement des gabarits d'assemblage à l'aide d'un robot sériel industriel, à savoir un Kuka KR-100. Pour résoudre les problèmes liés à chaque opération du procédé (découpe, manipulation et assemblage), des solutions sont proposées. Tout d'abord, trois améliorations sont présentées pour résoudre les problèmes liés à la découpe : l'identification des meilleurs paramètres, le développement d'une nouvelle technique de découpe, et l'estimation de la pose optimale du robot. Puis, pour résoudre les problèmes liés à l'assemblage, une technique de calibration sans contact pour les repères de base est présentée. Enfin, la conception d'un outil pour la manipulation automatisée des préformes textiles est présentée sur la base d'un nouveau mécanisme possédant une capacité d'adaptation de forme à l'aide d'articulations passives compliantes. Les résultats expérimentaux démontrent qu'il est possible de diminuer la durée totale des opérations de fabrication de préforme textiles par rapport au procédé antérieurement fait à la main. Le type de mémoire choisi pour ce projet de recherche est par article. Le centre de ce travail est un article rédigé pour le Journal aéronautique et spatial du Canada (Canadian Aeronautics and Space Journal (CASJ)), intitulé Optimization of a Robotic Textile Preform Manufacturing Process for carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Pour introduire cet article, une revue de littérature critique ainsi que la démarche générale du projet est présentées. Ensuite, certains aspects méthodologiques et résultats complémentaires sont élaborés pour compléter l'article. Finalement, une discussion générale et une conclusion terminent le mémoire.

Abstract

Composite materials are increasingly present in areas of high performance such as automotive and aerospace. Recently the Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) manufacturing processes are turning more and more towards the use of textile preforms. Indeed, they allow to drastically reduce the time of production of composite parts. However, the manufacture of textile preforms suffer from several problems. Among these, many operations are made by hand and thus induce very long production cycle in addition to some defect in the final product. The project presented by this dissertation presents a robotic solution for the manufacturing of textile preforms of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) as developed at CTT Group (GCTTG). Indeed, the assumption is made here that automation of such a process reduces the textile preform manufacturing time in addition to increasing their quality. In more detail, the specific objectives are to optimize the cutting, automate the handling of the fabric, and the changing of the jigs using an industrial serial robot, namely a Kuka KR-100. To solve the issues related to each of the process operations (cutting, handling and assembly), solutions are proposed in this dissertation. First, three improvements are presented which solve the problems related to the cuts: the best practice cutting parameter identification, the development of a novel cutting technique, and the estimation of the optimal robot pose. Then, to solve the issues related to assembly, a contactless base frame calibration technique is presented. Finally, the design of a tool for textile handling is also presented based on a novel mechanism using passive compliant shape adaptation. Experimental results demonstrate that it is possible to decrease the total duration of the textile preform fabrication operations compared to the process previously done by hand. The dissertation type chosen for this research project is by article. Therefore, the center of this work is an article written for the Canadian Aeronautics and Space Journal (CASJ) title Optimization of a Robotic Textile Preform Manufacturing Process for carbon fiber reinforced plastic (CFRP). To introduce this article, a literature review and the general approach of this project is presented. Then, some methodological aspects and complementary results are elaborated to complet the article. Finally, a general discussion and a conclusion complete the dissertation.