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Développement d'un procédé sans collision pour la fabrication de tresses 3D avec géométries variables

Pascal Assi

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Composite materials offer strong mechanical properties at a fraction of the usual weight. Therefore, they contribute to reducing the weight of land, sea and air vehicles, which increases the energy efficiency of these vehicles. Composite materials are often found in the form of fibers embedded in a polymer resin. The fibers can be in the form of a fabric, a braid, or unidirectional fibers. Compared to woven fabrics and unidirectional fibers, braids have the advantage of being manufactured to the final dimensions of the part, which greatly reduces the amount of non-recyclable waste produced. However, braiding machines have shortcomings that limit the use of braids for composite materials. Braids are produced by intertwining yarns. To do this, the spools of yarn are attached to carriers that move along an intertwining path on a bedplate. The path of the carriers is fixed, which limits the manufacture of new braid geometries. In addition, the carriers must move without colliding. To do this, the initial position of the carriers, also called the carrier arrangement, must be selected correctly, otherwise, a collision will occur. However, there is no method to validate or invalidate the carriage arrangement, regardless of the braiding machine. The first objective of this thesis is to develop an algorithm to detect collisions between carriers based on the carrier arrangement, thus allowing to validate or invalidate the latter. The algorithm is based on graph theory. To do this, the bedplate is represented by a graph made of faces, vertices and edges. The trajectory of each carrier is defined by a series of vertices, each representing a position on the bedplate. A collision occurs when two carriers are in the same location simultaneously. On the graph, this implies that two carriers are simultaneously on the same vertex. Therefore, the algorithm checks that each vertex is only occupied by one carrier at all times. The algorithm was validated by two case studies. The first study was performed on a traditional braiding machine, while the second study was performed on a braiding machine, which produces "T" shaped braids.

Résumé

Les matériaux composites offrent de fortes propriétés mécaniques, et ce, pour une fraction de la masse habituelle. Ils contribuent donc à réduire le poids des véhicules terrestres, marins et aériens, ce qui permet d’augmenter l’efficacité énergétique de ces derniers. Les matériaux composites se retrouvent souvent sous la forme de fibres noyées dans une résine de polymère. Les fibres peuvent être sous la forme d’un tissu, d’une tresse, ou de fibres unidirectionnelles. Comparativement aux tissus et aux fibres unidirectionnelles, les tresses ont l’avantage d’être fabriquées aux dimensions finales de la pièce, ce qui permet de réduire considérablement la quantité de rebuts non recyclable produit. Cependant, les métiers à tresser possèdent des lacunes limitant l’utilisation des tresses pour les matériaux composites. Les tresses sont produites par l’entrelacement de fils. Pour ce faire, les bobines de fil sont fixées sur des chariots qui se déplacent sur un plan de travail suivant une trajectoire qui s’entrelace. Néanmoins, la trajectoire de ces derniers est fixe, ce qui limite la fabrication de nouvelles géométries de tresses. De plus, les chariots doivent se déplacer sans rentrer en collisions. Pour ce faire, la position initiale des chariots, aussi appelée l’arrangement des chariots, dois être sélectionné correctement, sans quoi, une collision se produira. Or, à ce jour, il n’existe aucune méthode permettant de valider ou d’invalider l’arrangement des chariots, et ce, peu importe le métier à tresser. Le premier objectif de cette thèse est de développer un algorithme permettant de détecter des collisions entre les chariots basés sur l’arrangement des chariots, permettant ainsi de valider ou d’invalider ce dernier. L’algorithme se base sur la théorie des graphes. Pour ce faire, le plan de travail est représenté par un graphe constitué de faces, de noeuds et d’arêtes. La trajectoire de chaque chariot est définie par une série de noeuds, représentant chacun une position sur le plan de travail. Une collision se produit lorsque deux chariots se trouvent au même endroit simultanément. Sur le graphe, cela implique que deux chariots se trouvent simultanément sur le même noeud. L’algorithme vérifie donc que chaque noeud est uniquement occupé par un chariot en tout temps. L’algorithme a été validé par deux études de cas. La première étude a été effectuée sur un métier à tresser traditionnel, tandis que la deuxième étude a été effectuée sur un métier à tresser pour des tresses en forme de « T ».

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Louis Laberge Lebel and Sofiane Achiche
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53425/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Sep 2023 14:23
Last Modified: 05 Nov 2023 12:12
Cite in APA 7: Assi, P. (2023). Développement d'un procédé sans collision pour la fabrication de tresses 3D avec géométries variables [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53425/

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