Tressage robotisé de préformes pour des structures primaires d'aéronefs en composites

Les composites polymères à renfort fibre de carbone (PRFC) sont utilisés pour la fabrication de structures primaires d'aéronefs. Les renforts préimprégnés de matrice sont généralement laminés à l'aide de méthodes de mise en forme automatique, puis polymérisés en autoclave. Les limitations de ce procédé ont conduit au développement de solutions alternatives. Les composites à renforts tressés sont l'une d'entre elles. Ceux-ci combinent une préforme tressée non imprégnée et le procédé de moulage de composites par injection ou infusion de résine (LCM). Des propriétés supérieures en tolérance aux dommages, l'automatisation de la mise en forme et la rentabilité supérieure des procédés LCM font des composites à renforts tressés une solution performante et économique. Une application potentielle de cette technologie est les cadres de fuselage d'aéronefs, une structure primaire supportant les panneaux raidis et leurs charges. À l'heure actuelle, certains facteurs limitent l'utilisation des composites à renforts tressés à des structures secondaires et tertiaires : les coûts reliés à la qualification auprès des autorités de certification et l'imprécision des modèles de tressage actuels lorsqu'appliqués à des géométries complexes. Les travaux de recherche qui font l'objet du présent mémoire portent sur la mise en forme de préformes tressées complexes pour des structures primaires d'aéronefs. Ils ont pour objectifs de proposer des améliorations aux modèles de tressage existants, d'automatiser la mise en forme et la caractérisation des préformes tressées. Dans une première phase, une revue de littérature portant sur les différents aspects du tressage 2D et de la planification de la trajectoire d'un manipulateur industriel a été effectuée. Par la suite, un algorithme de planification de la trajectoire d'un manipulateur industriel installé sur un rail linéaire est développé pour la mise en forme et la caractérisation des préformes tressées. Les modèles de tressage cinématiques préalablement identifiés lors de la revue de littérature sont appliqués à divers mandrins au cours de plans d'expériences numériques et expérimentaux. Des méthodes de caractérisation de l'angle de tresse des préformes par imagerie ont été développées afin de valider la justesse et la précision des modèles de tressage à l'étude. Les résultats obtenus à l'issue de cette phase ont fait l'objet de deux articles de conférence. Finalement, un démonstrateur technologique d'un cadre de fuselage d'aéronefs a été fabriqué et étudié. Celui-ci présente d'importants changements de sections reproduisant des éléments de conception que l'on retrouve typiquement sur une pièce réelle.

Abstract

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are widely used to manufacture modern aircraft primary structures. Preimpregnated fiber reinforcements (prepregs) are laminated with automated laydown processes and cured by autoclave. Low prepreg laydown rates and expensive operation costs have encouraged the development of alternative solutions such as braided composites. This material system combines a non-impregnated braided preform and a liquid composite molding (LCM) process. The braided preforms high damage tolerance properties, the highly automated braiding process and low-cost LCM make braided composites a cost-effective solution. Thus, they have the potential to replace conventional laminated composites on aircraft fuselage frames, an aircraft primary structure that supports skin-stringer panels. This research project's goal is to manufacture complex braided preforms for aircraft primary structures. For this purpose, current braiding models found in literature will be carefully studied and improved. Furthermore, both the braided preform manufacturing and characterization processes will be automated. At first, a literature review on the various aspects of 2D braiding and the path planning of an industrial manipulator was carried out. Then, multi-objective optimization algorithm was developed in order to compute the path planning of an industrial robot installed on a linear axis for both the manufacturing and characterization processes. Afterwards, relevant cinematic braiding models were studied. Numerical and experimental case studies were performed using mandrels with various designs. An imaging algorithm was developed to measure the braid angle along the braided preforms in order to validate the braiding models' accuracy and precision. Results were the subject of two conference articles. Lastly, an aircraft fuselage frame technological demonstrator was designed and studied. Cross-section variations were added to simulate typical design features. Due to its complexity, a novel braiding model was developed. Results were presented in an article titled “Automated braiding of a complex aircraft fuselage frame using a non-circular braiding model” that was submitted to the “Composites Part-A: Applied Science and Manufacturing” journal. This research project was able to demonstrate the automation benefits on the preforms quality and characterization repeatability. Complex preforms were manufactured by studying and developing novel cinematic braiding models. Thereby, their weaknesses and limitations were also exposed.