Planification de trajectoires pour placement automatisé de fibres sur surfaces de géométries complexes

Durant les 50 dernières années, l'utilisation des matériaux composites pour la fabrication de structures à hautes performances a connu un essor, dû notamment à l'industrie aéronautique. Toujours à la recherche de matériaux plus légers et performants pour la construction d'aéronefs, et devant tenir compte des contraintes de productivité pour rester compétitif, ce secteur a encouragé le développement de nouvelles technologies de production telles que le Placement Automatisé de Fibres (AFP). Cette technologie permet d'automatiser la production de structures en matériaux composites à l'aide de pré-imprégnés. Ces derniers se présentent sous forme de bandes composées de tresses de fibres (verre, carbone, etc.) imprégnées de résine semi-polymérisée. La plupart des cellules d'AFP actuellement en service ont été conçues pour la fabrication de larges panneaux plats ou présentant de faibles courbures, comme par exemple les fuselages d'avion. Cependant le secteur de l'aéronautique, mais également les industries de production d'équipement de sport s'intéressent à présent à cette technique pour la fabrication de pièces de plus faibles dimensions et possédant des géométries plus complexes. L'objectif du projet dans lequel s'inscrit le travail présenté ici est donc de mettre au point une cellule de travail et des techniques permettant la production de telles pièces par AFP. La recherche présentée dans ce mémoire concerne plus particulièrement le développement de nouvelles méthodes de planification de trajectoires pour AFP. La majeure partie de l'étude s'est concentrée sur la génération de celles-ci sur un type de surfaces en particulier : les surfaces de révolution multi-axiales de section circulaire constante telles que des tubes en forme de « Y ». Plusieurs algorithmes de génération de trajectoires seront présentés au travers de ce mémoire, chacun cherchant à couvrir la surface de la pièce le plus complètement possible afin de produire des objets finaux en un seul tenant. La méthodologie utilisée dans deux de ces algorithmes est de couvrir individuellement chaque branche par des trajectoires dérivant des hélices. Dans un cas l'hélice sera coupée au niveau de la jonction entre les branches (algorithme HD) et dans l'autre cas cette hélice pourra être déformée (algorithme HA) pour épouser les contours de la jonction. Les différentes branches seront ensuite liées entre elles grâce à une trajectoire définie sur l'intersection des cylindres. Ces deux méthodes ont cependant révélé posséder plusieurs défauts qui pourraient compromettre leur utilisation en pratique, ou conduire à la production de pièces présentant des défauts affaiblissant leurs propriétés mécaniques. Deux autres algorithmes ont donc été développés afin d'améliorer les trajectoires produites.

Abstract

During the past 50 years, the use of composite materials drastically increase, mainly thanks to the interest of aeronautical industries for these strong and lightweight materials. To improve the productivity of composite materials manufacturing some of the largest aeronautics companies began to develop automated processes such as Automated Fibre Placement (AFP). The AFP workcells currently used by the industry were mainly developed for production of large, nearly flat, plates with low curvatures such as aircraft fuselages. However, the fields of aeronautics and sport goods production begin nowadays to show an interest for manufacturing of smaller and more complex parts. The aim of the project in which this research takes place is to design a new AFP workcell and to develop new techniques allowing production of parts with small size and complex geometry. The work presented in this thesis focuses on the path planning on multi-axial revolution surfaces, e.g. Y-shaped tubes of constant circular cross section. Several path planning algorithms will be presented aiming at the exhaustive coverage of a mandrel with pre-impregnated (prepreg) composite tape. The methodology used in two of these algorithms is to individually cover each branch of the Y-shaped part with paths deriving from a helix. In the first one, the helix will be cut at the boundary between a branch and the junction region (algorithm HD) while in the second (algorithm HA) the pseudo-helix path can be adjusted to follow this boundary. These two methods were shown to have some drawbacks compromising their practical use and possibly leading to parts with diminished mechanical properties. To avoid these drawbacks, two others algorithms were developed with a new methodology. With them, the aim is to cover two branches of the Y-shape with a continuous course (i.e. without cut). The first one uses a well known strategy which defines plies with a constant fibre orientation. Parallel paths are then computed to generate a full and uniform ply covering two branches. Once again this method suffers from a main drawback, namely that it can produce highly curved paths leading to manufacturing defects. To overcome this limitation, a last algorithm is proposed ensuring that the maximal curvature of a trajectory stays below a fixed threshold. However, fulfilling this constraint prevents to predict the complete shape of the path and to ensure a perfectly uniform coverage. It is thus proposed to generate an exhaustive set of trajectories having different shapes and covering all the part. Then, a selection algorithm is used to choose the ones which are best suited according to selection criteria.