EP4534747A1 - Système d'aiguilletage pour la fabrication d'une préforme textile - Google Patents

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EP4534747A1
EP4534747A1 EP24216051.3A EP24216051A EP4534747A1 EP 4534747 A1 EP4534747 A1 EP 4534747A1 EP 24216051 A EP24216051 A EP 24216051A EP 4534747 A1 EP4534747 A1 EP 4534747A1
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EP
European Patent Office
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needling
textile
preform
needling head
head
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EP24216051.3A
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German (de)
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EP4534747B1 (fr
Inventor
Gareth Clarke
Julien Bardy
Franck Laffargue
Nicolas Maisonnave
David Bitonneau
Jean-Marc Dupillier
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ArianeGroup SAS
Original Assignee
ArianeGroup SAS
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H18/00—Needling machines
    • D04H18/02—Needling machines with needles
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/44—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling
    • D04H1/46—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling by needling or like operations to cause entanglement of fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/02—Reinforcing materials; Prepregs

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of textile preforms by needling, and more particularly to a needling system for the manufacture of a textile preform.
  • Textile preforms form the reinforcement of organic or ceramic matrix composite materials. They form a frame for the material that absorbs most of the mechanical stress, which is reinforced and protected by the organic or ceramic matrix of the composite material.
  • needling consists of superimposing textile plies and binding these plies together by needling.
  • needling consists of binding the plies together by transferring fibers from one ply to another in the Z direction, i.e. along the thickness of the preform, thus creating mechanical connections between the plies in this direction.
  • Current needling systems thus make it possible to produce axisymmetric preforms or preforms with an open geometry.
  • some preforms such as atmospheric re-entry thermal protection preforms, may have a spherical cap shape (non-opening geometry) or a non-axisymmetric geometry and current needling methods are not suitable for this type of geometry.
  • the invention thus proposes a modular needling head because, thanks to the robotic arm, it can adapt to complex preform geometries.
  • the system The needling system of the invention therefore makes it possible to manufacture preforms with non-opening geometry, such as a spherical cap, or non-axisymmetric geometries.
  • the needling system of the invention also makes it possible to configure trajectories of custom textile strips, without trajectory limitation.
  • the device for feeding a textile strip comprises a system for guiding the textile strip.
  • the textile strip guidance system comprises adjustable detour rollers according to at least one spherical three-dimensional reference point.
  • the device for feeding a textile strip comprises a lateral position regulation system.
  • Another subject of the invention relates to a method for manufacturing a textile preform by needling implemented by the needling system of the invention on a support tool whose shape corresponds to that of the textile preform to be produced, the method comprising the deposition and needling of a textile strip on the support tool.
  • This process allows the textile strip to be directly needled to the shape of the final preform.
  • the support tool has a non-axisymmetric and/or non-opening shape.
  • the textile strip is deposited and needled onto the support tool without limitation of trajectory.
  • the passage points and the orientation of the needling head are determined before starting the needling, taking into account the complexity of the geometry of the preform to be produced, the density and the orientation of the Z-fibers, while ensuring that the support tooling and the preform do not collide with the needling head.
  • This program is therefore not tied to a particular machine and can be adapted to all machines and desired preform shapes. It thus allows for the versatile production of textile preforms by needling according to the requirements and the desired thermostructural properties, such as for example the Z-fiber density and the Z-fiber orientation.
  • the determination of the coordinate triplets of the passage points of the needling head and the angular orientation of the head can result from one or more several calculations, or certain parameters (coordinate or angle) can be predefined in advance.
  • the determination of the triplets of coordinates of the passage points of the needling head can also be carried out according to the width of the textile strip and its possible overlap.
  • the support tool is rotating around an axis of rotation and the method comprises a mathematical projection of the determined passage points onto a reference plane fixed or mobile relative to the support tool and comprising the axis of rotation of the support tool.
  • the method further comprises determining a local movement speed of the needling head as a function of the fiber rate in Z in the associated zone of the preform to be produced and a rotation of the support tool.
  • the mesh allows a more precise mathematical use of the geometry of the preform to then be able to apply all the operations of determining the passage points and the angular orientation of the head, but also of discretize the number of passage points according to the geometric complexity of the preform to be produced.
  • the support tool has a non-axisymmetric and/or non-opening shape.
  • FIG. 1 represents, schematically and partially, a needling system 100 according to an embodiment of the invention making it possible to produce a textile preform.
  • the system 100 comprises a needling head 110 on which is mounted a device 130 for feeding a textile strip, a robotic arm 120 movable according to several degrees of freedom and carrying the needling head 110 and a control unit 140.
  • the robotic arm 120 is configured to move the needling head 110 along predetermined trajectories and orientations.
  • the feeder 130 is configured to deposit the textile strip on a support and to cut the deposited strip.
  • the control unit 140 is configured to control the robotic arm 120, the actuation of the needling head 110 and the deposition of the textile strip according to a predefined program for the production of the textile preform.
  • FIG. 2 represents, in part, a needling head 210 carrying a feed device 230 for a textile strip 233 according to an embodiment of the invention during the manufacture of a textile preform, in particular during the deposition and needling of a textile strip 234 on a support tool 250.
  • the Figure 3 represents a schematic view of the Figure 2 , in particular the orientation of the needles of the needling head relative to the deposited strip, the references used for these two figures representing the same objects.
  • the feed device 230 for a textile strip 233 comprises a cassette holder 232 and a cassette 231 containing the textile strip 233 and placed on the cassette holder 232.
  • the cassette 231 has a width corresponding substantially to the width of the textile strip 233 wound on the cassette 231.
  • the textile strip 233 is for example a strip or a sheet of threads whose properties are useful as fibrous reinforcement in the preform making up a composite material, for example a thread or a set of threads, a fabric, a multidirectional non-woven textile (or “Non Crimp Fabric, NCF”), a braid, or even a non-woven veil.
  • the needling head 210 also comprises a stripper 212 comprising a plate having a plurality of perforations.
  • the plate has an inner face and an outer face, the outer face being present on the side of the support tool 250.
  • the needle board is opposite the inner face of the stripper and the needles 211 are aligned with the perforations present on the plate of the stripper 212.
  • the needles 211 pass alternately from a retracted position in which they do not protrude from the outer surface of the plate of the stripper 212 to a deployed position in which they protrude from the outer face of the plate in order to penetrate the textile strip 234.
  • the device 230 for feeding a textile strip 233 is fixed to the needling head 210 transversely to the perforated plate of the stripper 212 intended to be crossed by the needles 211.
  • the feed device 230 for a textile strip 233 may comprise a guiding system 270 for the textile strip and/or a braking system which makes it possible to adjust the tension of the strip 234 when it is deposited.
  • the guiding system 270 may be fixed on the surface of the stripper 212 or on the needling head 210, ideally as close as possible to the surface of the stripper 210, carrying the feed device 230.
  • the device for feeding a textile strip can be configured to store a textile strip with a width of between 5 mm and 500 mm, preferably between 5 mm and 200 mm.
  • the needling head can be configured for different widths of needle board (support carrying the plurality of needles) and/or for different stripper widths, for example so as to be able to needle textile strips with a width of between 5 mm and 500 mm, preferably textile strips with a width of between 5 mm and 200 mm.
  • the needle board and the stripper can also be removable from the needling head in order to adapt them to the geometry of the preform to be produced and/or to the widths of the needled textile strips.
  • the needling head in particular the needles, forms an angle ⁇ (represented on the Figure 3 ) variable relative to an axis perpendicular 270 to the tangent plane 260 of the support tool 250 during all or part of the deposition and needling of the textile strip, for example this angle is between -85° and 85°, preferably between -30° and 30°. More generally, the needling head is adjustable in all directions around this perpendicular axis 270. This makes it possible to needle the textile strips in different orientations, for example at an angle or at an angle to transfer fibers in a certain orientation to confer certain thermomechanical and/or abrasion resistance properties to the final part.
  • the needling head can be programmed to move and orient itself, using the robotic arm, around the support tooling to deposit and needle the textile strip.
  • the program for moving and orienting the needling head thus includes the passage points and the angular orientation of the needling head around the support tooling.
  • the crossing points can be determined based on the Z-shaped fiber positions in the textile preform to be produced, its local radius of curvature, and a minimum distance to be observed between the needling head and the support tool or the preform to avoid damaging the preform.
  • the angular orientation of the needling head can be determined for each crossing point based on the angular orientation of the Z-shaped fibers in the preform to be produced.
  • the waypoints can be expressed in terms of the distance between the needling head and the support tool.
  • the waypoints can be projected into a reference plane fixed relative to the support tool, and thus the head can be programmed according to the distance between the needling head and the support tool.
  • the stripper can apply pressure to the strip so as to hold it in place when the needles come out.
  • FIG. 4 represents a flowchart of the method 400 for determining a program for moving and orienting a needling head according to an embodiment of the invention
  • the Figures 5A , 5B , 5C And 5D represent the different stages of this same process. The process is thus described with reference to the Figures 4, 5A , 5B , 5C And 5D .
  • the method 400 is a method for determining a program for moving and orienting a needling head 530 for producing a textile preform 500 by needling a textile strip onto a support tool 505.
  • This method 400 comprises the determination 410 of a set of triplets of coordinates (x, y, z), (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3) of the passage points 520, 521, 522, 523 of the needling head 530.
  • x1, y1, z1 coordinates
  • x2, y2, z2 x3, y3, z3
  • the passage points 521, 522, 523 are determined as a function of the positions of the fibers along the X, Y, Z axes, in particular along the Z axis in the textile preform to be produced 500, of the local geometry of the preform 500, for example of its local radius of curvature, and of the minimum distance d min .
  • This minimum distance d min is a distance making it possible to avoid a collision between the needling head 530 and the preform 500 being produced or the support tool 505.
  • the minimum distance d min is predetermined by the user. This step 410 is shown on the Figure 5B .
  • the number of passage points 520, 521, 522, 523 may depend on the complexity of the preform to be produced 500. For example, if the preform is of complex shape (for example, a non-axisymmetric shape), the number of passage points will generally be greater than a preform of simple shape (for example, an axisymmetric shape).
  • the method 400 comprises the determination 420 of the angular orientation of the needling head 530 for each passage point 520, 521, 522, 523 determined in the step 410 as a function of the angular orientation of the fibers in Z in the textile preform to be produced 500.
  • This step 420 is represented on the Figure 5C .
  • the angle ⁇ formed between the needling head 530 and the Z axis for the passage point 520 and/or the angle ⁇ formed between the needling head 530 and the X axis for the passage point 520 is determined. More particularly, in the example of determining the angle ⁇ , the angle ⁇ is formed between the Z axis and the orientation of the head, which corresponds to the orientation 560 of the fibers in Z for this passage point 520.
  • the method 400 may also comprise a step 409 of producing a mesh 510 of the geometry of the textile preform to be produced 500.
  • the determination 410 of the set of coordinate triplets (x, y, z) of the passage points is thus carried out on this mesh 510.
  • This step 409 is represented on the Figure 5A This makes it possible to simplify the geometry of the preform 500 and to more easily determine the passage points 520.
  • the method 400 may further comprise a step 421 of projecting the passage points 520 determined in step 410 into a reference plane 540 fixed or mobile relative to the support tool 505 and comprising the axis of rotation 580 of the support tool 505.
  • the reference plane 540 may for example be the plane (YZ) or the plane (XY) or even the plane ( ⁇ ). This makes it possible to determine the polar coordinates. (r, ⁇ , z) of the waypoints 520.
  • This step 421 is represented on the Figure 5D .
  • the method 400 may also comprise determining a local speed of movement of the needling head 530 as a function of the fiber rate in Z in the associated zone of the preform to be produced 500 as a function of a possible movement of the support tool 505. For example, if the support tool 505 is rotating during needling, depending on the radius of curvature of the geometry of the preform to be produced 500, it may be advantageous to vary the speed of movement of the needling head 530 between the passage points 520 along this radius of curvature to best adapt the fiber rate of Z.
  • FIG. 6 represents a flowchart of the method 600 for manufacturing a textile preform by needling according to one embodiment of the invention.
  • the method 600 firstly comprises the determination 610 of a program for moving and orienting a needling head according to the invention, therefore for example according to the method described previously, then the manufacturing 620 by needling the textile preform on a support tool.
  • the support tool has the same shape as the internal surface of the preform to be produced.
  • the needling is carried out using a needling head programmed according to the program determined in step 601.
  • the support tooling used to determine the movement and orientation program of the needling head and for the manufacture of the textile preform may have a non-axisymmetric and/or non-opening shape. This makes it possible to produce a preform with a non-axisymmetric and/or non-opening shape, which may, for example, form a preform for thermal protection against atmospheric re-entry.
  • the support tooling can also rotate, in both directions around a rotation axis, during needling, in order to facilitate the movements of the robotic arm.
  • the control unit can, in this case, control the rotation of the support tooling. For example, it can control the rotation axis and/or the rotation speed of the support tooling.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Système d'aiguilletage (100) pour la réalisation d'une préforme textile comprenant :- une tête d'aiguilletage (110) ;- un bras (120) robotisé mobile selon plusieurs degrés de liberté, portant la tête d'aiguilletage et configuré de manière à déplacer la tête d'aiguilletage suivant des trajectoires et des orientations prédéterminées ;- un dispositif d'alimentation (130) d'une bande textile monté sur la tête d'aiguilletage et configuré pour déposer la bande textile sur un support et procéder à sa découpe, et- une unité de contrôle (140) configurée pour commander le bras robotisé, l'actionnement de la tête d'aiguilletage et le dépôt de la bande textile selon un programme prédéfini pour la réalisation de la préforme textile.

Description

    Domaine Technique
  • La présente invention concerne la fabrication de préforme textile par aiguilletage, et plus particulièrement un système d'aiguilletage pour la fabrication d'une préforme textile.
    • Technique antérieure
  • Les préformes textiles forment le renfort de matériaux composites à matrice organique ou céramique. Elles forment une armature au matériau reprenant l'essentiel des efforts mécaniques, qui est renforcée et protégée par la matrice organique ou céramique du matériau composite.
  • La réalisation de préformes textiles par aiguilletage consiste à superposer des plis textiles et à lier ces plis entre eux par aiguilletage. En particulier, l'aiguilletage consiste à lier entre eux les plis en transférant des fibres d'un pli à l'autre dans la direction Z, c'est-à-dire long de l'épaisseur de la préforme, créant ainsi des liaisons mécaniques entre les plis dans cette direction. Les systèmes d'aiguilletage actuels permettent ainsi de réaliser des préformes axisymétriques ou des préformes dont la géométrie est débouchante.
  • Les moyens actuels d'aiguilletage sont programmés pour suivre une certaine trajectoire de manière à aiguilleter la préforme selon certains critères, comme par exemple la densité de fibres en Z. Les programmes actuels sont propres à la machine utilisée, et ne sont pas utilisables sur une autre. De plus, ils peuvent suivre un profil axisymétrique basé sur un mode adaptatif, qui permet de corriger la position de la machine en fonction des surépaisseurs rencontrées lors de l'aiguilletage.
  • Néanmoins, certaines préformes, comme les préformes de protections thermiques de rentrée atmosphérique, peuvent avoir une forme de calotte sphérique (géométrie non-débouchante) ou une géométrie non-axisymétrique et les moyens actuels d'aiguilletage ne sont pas adaptés à ce type de géométrie.
  • Il est donc souhaitable de disposer d'un nouveau système d'aiguilletage plus versatile et permettant d'aiguilleter des préformes dont la géométrie est non-axisymétrique et/ou non-débouchante, ou dont la géométrie est axisymétrique ou non, débouchante ou non, et capable d'aiguilleter des bandes textiles dont les trajectoires sont entièrement paramétrables, sans limitation de trajectoire.
  • Il est également souhaitable de disposer d'une nouvelle solution de programmation des moyens d'aiguilletage permettant d'être utilisée sur plusieurs machines d'aiguilletage et de s'adapter à tout type de géométrie de préforme, y compris les géométries non-axisymétriques et non-débouchantes.
    • Exposé de l'invention
  • La présente invention concerne un système d'aiguilletage pour la réalisation d'une préforme textile comprenant :
    • une tête d'aiguilletage ;
    • un bras robotisé mobile selon plusieurs degrés de liberté, portant la tête d'aiguilletage et configuré de manière à déplacer la tête d'aiguilletage suivant des trajectoires et des orientations prédéterminées ;
    • un dispositif d'alimentation d'une bande textile monté sur la tête d'aiguilletage et configuré pour déposer la bande textile sur un support et procéder à sa découpe, et
    • une unité de contrôle configurée pour commander le bras robotisé, l'actionnement de la tête d'aiguilletage et le dépôt de la bande textile selon un programme prédéfini pour la réalisation de la préforme textile.
  • L'invention propose ainsi une tête d'aiguilletage modulable car, grâce au bras robotisé, elle peut s'adapter aux géométries complexes de préforme. Le système d'aiguilletage de l'invention permet donc de fabriquer des préformes de géométrie non-débouchante, comme une calotte sphérique, ou des géométries non-axisymétriques. Le système d'aiguilletage de l'invention permet également de paramétrer des trajectoires de bandes textiles à façon, sans limitation de trajectoire.
  • De plus, la présence du dispositif d'alimentation d'une bande textile sur la tête d'aiguilletage permet d'envisager un dépôt d'une bande et son aiguilletage sur les bandes précédemment déposées simultanément avec un seul système. Cela permet de déposer les bandes textiles dans diverses directions en faible ou forte épaisseur, et également d'automatiser le placement des bandes grâce au bras robotisé et à l'unité de contrôle. Cela permet également de se passer d'additif de fixation entre les bandes ou d'autres éléments pouvant polluer les bandes formant la préforme et pouvant perturber les liaisons fibres/matrices lors de la densification de la préforme aiguilletée, car le maintien des bandes entre elles est réalisé lors de l'aiguilletage par le transfert partiel dans le sens transversal des fibres provenant des bandes déposées. Autrement dit, il s'agit, dans le cas de l'invention, d'un liage mécanique des bandes textiles et non chimique contrairement aux procédés de l'art antérieur permettant de déposer et de maintenir les bandes textiles et/ou les fils (comme les technologies de nappage automatique, « Automatic Tape Laying, ATL » et de placement automatique de fibres, « Automatic Fiber Placement, AFP »).
  • Selon une caractéristique particulière de l'invention, le dispositif d'alimentation d'une bande textile comprend un système de régulation, par exemple un système de freinage, configuré pour régler la tension de la bande textile lors de son dépôt sur le support en fonction d'une consigne donnée, ou en fonction d'un point particulier de la trajectoire.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le dispositif d'alimentation d'une bande textile comprend un système de guidage de la bande textile.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le système de guidage de la bande textile comprend des rouleaux de détours réglables selon au moins un repère tridimensionnel sphérique.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le dispositif d'alimentation d'une bande textile comprend un système de régulation en position latérale.
  • Cela permet de rendre plus précis le guidage de la bande et son placement sur le support. Cela peut en particulier être utile dans le cas où un trancanage est réalisé, tel qu'illustré à la figure 3, en permettant une légère translation de la bande pour corriger un éventuel défaut de positionnement lors de la dépose.
  • Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une préforme textile par aiguilletage mis en oeuvre par le système d'aiguilletage de l'invention sur un outillage de support dont la forme correspond à celle de la préforme textile à réaliser, le procédé comprenant le dépôt et l'aiguilletage d'une bande textile sur l'outillage de support.
  • Ce procédé permet d'aiguilleter directement la bande textile à la forme de la préforme finale.
  • Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'outillage de support a une forme non-axisymétrique et/ou non-débouchante.
  • Cela permet de réaliser des préformes de géométrie complexe.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la bande textile est déposée et aiguilletée sur l'outillage de support sans limitation de trajectoire.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la tête d'aiguilletage forme un angle compris entre -85° et 85° par rapport à la direction perpendiculaire au plan tangent de l'outillage de support durant tout ou partie du dépôt et de l'aiguilletage de la bande textile.
  • Cela permet de transférer les fibres, lors de l'aiguilletage, dans une direction perpendiculaire ou non perpendiculaire à la tangente de la préforme, c'est-à-dire la tangente de l'outillage de support. Le fait de ne pas se limiter à une direction perpendiculaire permet de transférer les fibres dans de nombreuses direction pour optimiser les propriétés thermomécaniques et la tenue à l'abrasion de la préforme textile finale selon les applications visées pour la pièce comprenant cette préforme.
  • La présente invention concerne également un procédé de détermination d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage pour la réalisation d'une préforme textile par aiguilletage d'une bande textile sur un outillage de support, comprenant au moins :
    • la détermination d'un ensemble de triplets de coordonnées (x, y, z) des points de passage de la tête d'aiguilletage en fonction des positions des fibres dans la préforme textile à réaliser, de sa géométrie locale et d'une distance minimale prédéterminée à respecter entre la tête d'aiguilletage et l'outillage de support ou la préforme permettant d'éviter une collision avec cette dernière, et
    • la détermination de l'orientation angulaire de la tête d'aiguilletage (α, β, γ) pour chaque point de passage en fonction de l'orientation angulaire de la bande textile et des fibres dans la préforme textile à réaliser.
  • Grâce au procédé de l'invention, les points de passage et l'orientation de la tête d'aiguilletage sont déterminés avant de commencer l'aiguilletage en tenant compte de la complexité de la géométrie de la préforme à réaliser, de la densité et de l'orientation des fibres en Z tout en veillant que l'outillage de support et la préforme ne rentrent pas en collision avec la tête d'aiguilletage. Ce programme n'est donc pas lié à une machine particulière et peut s'adapter à toutes les machines et formes de préforme souhaitée. Il permet ainsi de fabriquer de manière versatile des préformes textiles par aiguilletage selon les besoins et les propriétés thermostructurales souhaités, comme par exemple la densité de fibres en Z et l'orientation des fibres en Z.
  • De plus, comme il est tenu compte de la complexité de la géométrie de la préforme à réaliser, le nombre de points de passage est adapté pour alléger les temps de calcul et le programme en lui-même. Par exemple, si une zone a un rayon de courbure local faible, le nombre de points de passage sera plus important dans cette zone qu'une autre zone ayant un rayon de courbure plus important.
  • La détermination des triplets de coordonnées des points de passage de la tête d'aiguilletage et de l'orientation angulaire de la tête peut résulter d'un ou de plusieurs calculs, ou certains paramètres (coordonnée ou angle) peuvent être prédéfinis par avance.
  • La détermination des triplets de coordonnées des points de passage de la tête d'aiguilletage peut être réalisée également en fonction de la largeur de la bande textile et de son éventuel recouvrement.
  • La détermination de l'orientation angulaire de la tête d'aiguilletage peut être réalisée par rapport à la normale à la géométrie locale.
  • Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'outillage de support est en rotation autour d'un axe de rotation et le procédé comprend une projection mathématique des points de passage déterminés sur un plan de référence fixe ou mobile par rapport à l'outillage de support et comprenant l'axe de rotation de l'outillage de support.
  • Cela permet de convertir les triplets de coordonnées (x, y, z) en coordonnées polaires (r, θ, z) et donc d'implémenter plus facilement les coordonnées des points de passage de la tête d'aiguilletage dans la machine d'aiguilletage.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le procédé comprend en outre la détermination d'une vitesse de déplacement locale de la tête d'aiguilletage en fonction du taux de fibres en Z dans la zone associée de la préforme à réaliser et d'une rotation de l'outillage de support.
  • Cela permet de pouvoir adapter la densité d'aiguilletage en fonction de la géométrie de la préforme, et ainsi augmenter, diminuer ou garder constante cette densité selon les caractéristiques géométriques locales de la préforme.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le procédé comprend en outre la réalisation d'un maillage de la géométrie de la préforme textile à réaliser, la détermination de l'ensemble des triplets de coordonnées (x, y, z) étant effectuée sur ce maillage.
  • Le maillage permet une utilisation mathématique plus précise de la géométrie de la préforme pour pouvoir ensuite appliquer l'ensemble des opérations de détermination des points de passage et de l'orientation angulaire de la tête, mais également de discrétiser le nombre de points de passage en fonction de la complexité géométrique de la préforme à réaliser.
  • Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'outillage de support a une forme non-axisymétrique et/ou non-débouchante.
  • Cela permet de pouvoir réaliser une préforme textile de géométrie complexe.
  • Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une préforme textile par aiguilletage comprenant la détermination d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage selon l'invention et la fabrication par aiguilletage de la préforme textile sur un outillage de support, dont la forme correspond à celle de la préforme textile à réaliser, à l'aide d'une tête d'aiguilletage programmée selon le programme déterminé.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
    • [Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un système d'aiguilletage selon un mode de réalisation de l'invention.
    • [Fig. 2] La figure 2 représente, de manière partielle, une tête d'aiguilletage en cours de dépôt et d'aiguilletage selon un mode de réalisation de l'invention.
    • [Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, la tête d'aiguilletage de la figure 2, en particulier l'orientation des aiguilles par rapport à la bande déposée.
    • [Fig. 4] La figure 4 représente un ordinogramme du procédé de détermination d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage selon un mode de réalisation de l'invention.
    • [Fig. 5A] La figure 5A représente, de manière schématique et partielle, l'étape 409 du procédé décrit en figure 4.
    • [Fig. 5B] La figure 5B représente, de manière schématique et partielle, l'étape 410 du procédé décrit en figure 4.
    • [Fig. 5C] La figure 5C représente, de manière schématique et partielle, l'étape 420 du procédé décrit en figure 4.
    • [Fig. 5D] La figure 5D représente, de manière schématique et partielle, l'étape 421 du procédé décrit en figure 4.
    • [Fig. 6] La figure 6 représente un ordinogramme du procédé de fabrication d'une préforme textile par aiguilletage selon un mode de réalisation de l'invention.
    Description des modes de réalisation
  • La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un système d'aiguilletage 100 selon un mode de réalisation de l'invention permettant de réaliser une préforme textile.
  • Le système 100 comprend une tête d'aiguilletage 110 sur laquelle est monté un dispositif d'alimentation 130 d'une bande textile, un bras robotisé 120 mobile selon plusieurs degrés de liberté et portant la tête d'aiguilletage 110 et une unité de contrôle 140.
  • Le bras robotisé 120 est configuré de manière à déplacer la tête d'aiguilletage 110 suivant des trajectoires et des orientations prédéterminées.
  • Le dispositif d'alimentation 130 est configuré pour déposer la bande textile sur un support et procéder à la découpe de la bande déposée.
  • L'unité de contrôle 140 est configurée pour commander le bras robotisé 120, l'actionnement de la tête d'aiguilletage 110 et le dépôt de la bande textile selon un programme prédéfini pour la réalisation de la préforme textile.
  • La figure 2 représente, de manière partielle, une tête d'aiguilletage 210 portant un dispositif d'alimentation 230 d'une bande textile 233 selon un mode de réalisation de l'invention lors de la fabrication d'une préforme textile, en particulier lors du dépôt et de l'aiguilletage d'une bande textile 234 sur un outillage de support 250. La figure 3 représente une vue schématique de la figure 2, notamment l'orientation des aiguilles de la tête d'aiguilletage par rapport à la bande déposée, les références utilisées pour ces deux figures représentant les mêmes objets.
  • Le dispositif d'alimentation 230 d'une bande textile 233 comprend un support de cassette 232 et une cassette 231 contenant la bande textile 233 et placée sur le support de cassette 232. La cassette 231 a une largeur correspondant sensiblement à la largeur de la bande textile 233 enroulée sur la cassette 231.
  • La bande textile 233 est par exemple une bande ou une nappe de fils dont les propriétés sont utiles en tant que renfort fibreux dans la préforme composant un matériau composite, par exemple un fil ou un ensemble de fils, un tissu, un textile non-tissé multidirectionnel (ou « Non Crimp Fabric, NCF »), une tresse, ou encore un voile non tissé.
  • La tête d'aiguilletage 210 comprend une pluralité d'aiguilles 211 montée sur une planche à aiguilles qui permettent d'aiguilleter la bande textile 234 qui vient d'être déposée sur l'outillage de support 250. Cette bande textile 234 est ainsi aiguilletée avec les bandes 235 précédemment déposées afin de réaliser la préforme textile. Afin d'obtenir la géométrie désirée, le dépôt et l'aiguilletage a lieu sur l'outillage de support 250 qui a une forme correspondant à celle de la préforme à réaliser. Ainsi pour réaliser une préforme non-axisymétrique, l'outillage de support 250 a une forme non-axisymétrique. L'outillage de support 250 peut également être mobile, par exemple en rotation autour d'un axe, afin de faciliter les mouvements du bras robotisé et de la tête d'aiguilletage 210.
  • La tête d'aiguilletage 210 comprend également un débourreur 212 comprenant une plaque comportant une pluralité de perforations. La plaque présente une face interne et une face externe, la face externe étant présente du côté de l'outillage de support 250. La planche à aiguilles est en regard de la face interne du débourreur et les aiguilles 211 sont alignées avec les perforations présentes sur la plaque du débourreur 212. Lors de l'aiguilletage de la bande 234, les aiguilles 211 passent alternativement d'une position rétractée dans laquelle elles ne dépassent pas de la surface externe de la plaque du débourreur 212 à une position déployée dans laquelle elles dépassent de la face externe de la plaque afin de pénétrer dans la bande textile 234. Le dispositif d'alimentation 230 d'une bande textile 233 est fixé à la tête d'aiguilletage 210 transversalement à la plaque perforée du débourreur 212 destinée à être traversée par les aiguilles 211.
  • Le dispositif d'alimentation 230 d'une bande textile 233 peut comprendre un système de guidage 270 de la bande textile et/ou un système de freinage qui permet de régler la tension de la bande 234 lors de son dépôt. Le système de guidage 270 peut être fixé sur la surface du débourreur 212 ou sur la tête d'aiguilletage 210, idéalement au plus près de la surface du débourreur 210, portant le dispositif d'alimentation 230.
  • De plus, le système de guidage de la bande textile peut être muni de rouleaux de détours 271 réglables selon un repère tridimensionnel, notamment dans un repère sphérique. Ces rouleaux 271 sont par exemple réglables en translation selon la direction de la largeur de la bande 234 et réglables en rotation selon deux axes permettant de régler l'angle de la bande 234 par rapport à l'outillage de support 250. Ces rouleaux de détours 271 permettent de guider la bande 234 depuis la cassette 231 jusqu'à la surface de dépôt de l'outillage de support 250. La largeur de ces rouleaux 271 peut être adaptée à la largeur de la bande 234.
  • Quel que soit le mode de réalisation, le dispositif d'alimentation d'une bande textile peut être configuré pour stocker une bande textile de largeur comprise entre 5 mm et 500 mm, préférentiellement entre 5 mm et 200 mm.
  • Quel que soit le mode de réalisation, la tête d'aiguilletage peut être configurée pour différentes largeurs de planche à aiguilles (support portant la pluralité d'aiguilles) et/ou pour différentes largeurs de débourreur, par exemple de manière à pouvoir aiguilleter des bandes textiles de largeur comprise entre 5 mm et 500 mm, préférentiellement des bandes textiles de largeur comprise entre 5 mm et 200 mm. La planche à aiguilles et le débourreur peuvent également être amovibles de la tête d'aiguilletage afin de les adapter à la géométrie de préforme à réaliser et/ou aux largeurs de bandes textiles aiguilletées.
  • Quel que soit le mode de réalisation, la tête d'aiguilletage, en particulier les aiguilles, forme un angle α (représenté sur la figure 3) variable par rapport à un axe perpendiculaire 270 au plan tangent 260 de l'outillage de support 250 durant tout ou partie du dépôt et de l'aiguilletage de la bande textile, par exemple cet angle est compris entre -85° et 85°, de préférence entre -30° et 30°. Plus généralement, la tête d'aiguilletage est réglable selon toutes les directions autour de cet axe perpendiculaire 270. Cela permet d'aiguilleter les bandes textiles selon différentes orientations, par exemple en biais ou selon un angle pour transférer des fibres selon une certaine orientation pour conférer certaines propriétés thermomécaniques et/ou de tenue à l'abrasion à la pièce finale.
  • Quel que soit le mode de réalisation, la tête d'aiguilletage peut être programmée pour se déplacer et s'orienter, grâce au bras robotisé, autour de l'outillage de support pour déposer et aiguilleter la bande textile. Le programme de déplacement et d'orientation de la tête d'aiguilletage comprend ainsi les points de passage et l'orientation angulaire de la tête d'aiguilletage autour de l'outillage de support.
  • Les points de passage peuvent être déterminés en fonction des positions des fibres en Z dans la préforme textile à réaliser, de son rayon de courbure local et d'une distance minimale à respecter entre la tête d'aiguilletage et l'outillage de support ou la préforme pour éviter de dégrader la préforme. L'orientation angulaire de la tête d'aiguilletage peut être déterminée pour chaque point de passage en fonction de l'orientation angulaire des fibres en Z dans la préforme à réaliser.
  • De plus, afin de faciliter la programmation de la tête d'aiguilletage, et dans le cas d'un outillage de support en rotation sur lui-même, les points de passage peuvent être exprimés en termes de distance entre la tête d'aiguilletage et l'outillage de support. Pour cela, on peut projeter les points de passage dans un plan de référence fixe par rapport à l'outillage de support, et ainsi programmer la tête selon la distance entre la tête d'aiguilletage et l'outillage de support.
  • Quel que soit le mode de réalisation, il est également possible de piloter par un asservissement la pression du débourreur. En particulier, le débourreur peut appliquer une pression sur la bande de sorte à la maintenir en place lorsque les aiguilles en ressortent.
  • Quel que soit le mode de réalisation, il est également possible de piloter la tête d'aiguilletage par un asservissement en fonction de la pression du débourreur et/ou en fonction de la position du débourreur s'il est flottant et/ou en fonction de la position des aiguilles
  • Il est également possible de piloter la position du robot par un asservissement en fonction de la pression du débourreur et/ou en fonction de la position du débourreur s'il est flottant et/ou en fonction de la position des aiguilles.
  • Il est également possible de piloter la position du support par un asservissement en fonction de la pression du débourreur et/ou en fonction de la position du débourreur s'il est flottant et/ou en fonction de la position des aiguilles.
  • La figure 4 représente un ordinogramme du procédé 400 de détermination d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage selon un mode de réalisation de l'invention, et les figures 5A, 5B, 5C et 5D représentent les différentes étapes de ce même procédé. Le procédé est ainsi décrit en référence aux figures 4, 5A, 5B, 5C et 5D.
  • Le procédé 400 est un procédé de détermination d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage 530 pour la réalisation d'une préforme textile 500 par aiguilletage d'une bande textile sur un outillage de support 505. Ce procédé 400 comprend la détermination 410 d'un ensemble de triplets de coordonnées (x, y, z), (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3) des points de passage 520, 521, 522, 523 de la tête d'aiguilletage 530. Pour des raisons de clarté, seuls quelques points sont visibles sur les figures, néanmoins le nombre de points de passage n'est pas limité à ces quatre points. De plus, la position de ces points visibles sur la figure 5B ne signifie pas que l'on détermine d'abord le point 520 (ou le point 522) avant le point 521 (ou le point 523). Généralement, l'ordre de détermination des différents points de passage de la tête suit le déroulement et l'aiguilletage de la bande textile sur l'outillage de support.
  • Les points de passage 521, 522, 523 sont déterminés en fonction des positions des fibres selon les axes X, Y, Z, en particulier selon l'axe Z dans la préforme textile à réaliser 500, de la géométrie locale de la préforme 500, par exemple de son rayon de courbure local, et de la distance minimale dmin. Cette distance minimale dmin est une distance permettant d'éviter une collision entre la tête d'aiguilletage 530 et la préforme 500 en cours de réalisation ou l'outillage de support 505. La distance minimale dmin est prédéterminée par l'utilisateur. Cette étape 410 est représentée sur la figure 5B.
  • Le nombre de points de passage 520, 521, 522, 523 peut dépendre de la complexité de la préforme à réaliser 500. Par exemple, si la préforme est de forme complexe (par exemple, une forme non-axisymétrique), le nombre de points de passage sera généralement plus important qu'une préforme de forme simple (par exemple, une forme axisymétrique).
  • Puis le procédé 400 comprend la détermination 420 de l'orientation angulaire de la tête d'aiguilletage 530 pour chaque point de passage 520, 521, 522, 523 déterminés dans l'étape 410 en fonction de l'orientation angulaire des fibres en Z dans la préforme textile à réaliser 500. Cette étape 420 est représentée sur la figure 5C. Dans cette étape 420, on détermine, par exemple, l'angle α formé entre la tête d'aiguilletage 530 et l'axe Z pour le point de passage 520 et/ou l'angle β formé entre la tête d'aiguilletage 530 et l'axe X pour le point de passage 520. Plus particulièrement, dans l'exemple de la détermination de l'angle a, l'angle a est formé entre l'axe Z et l'orientation de la tête, qui correspond à l'orientation 560 des fibres en Z pour ce point de passage 520.
  • Le procédé 400 peut également comprendre une étape 409 de réalisation d'un maillage 510 de la géométrie de la préforme textile à réaliser 500. La détermination 410 de l'ensemble des triplets de coordonnées (x, y, z) des points de passage est ainsi effectuée sur ce maillage 510. Cette étape 409 est représentée sur la figure 5A. Cela permet de simplifier la géométrie de la préforme 500 et de déterminer plus facilement les points de passage 520.
  • Quand l'outillage de support 505 tourne autour d'un axe de rotation 580, le procédé 400 peut encore comprendre une étape 421 de projection des points de passage 520 déterminés dans l'étape 410 dans un plan de référence 540 fixe ou mobile par rapport à l'outillage de support 505 et comprenant l'axe de rotation 580 de l'outillage de support 505. Le plan de référence 540 peut par exemple être le plan (YZ) ou le plan (XY) ou encore le plan (λ). Cela permet de déterminer les coordonnées polaires (r, θ, z) des points de passage 520. Cette étape 421 est représentée sur la figure 5D.
  • Le procédé 400 peut encore comprendre la détermination d'une vitesse de déplacement locale de la tête d'aiguilletage 530 en fonction du taux de fibres en Z dans la zone associée de la préforme à réaliser 500 en fonction d'un éventuel déplacement de l'outillage de support 505. Par exemple, si l'outillage de support 505 est en rotation durant l'aiguilletage, selon le rayon de courbure de la géométrie de la préforme à réaliser 500, il peut être intéressant de faire varier la vitesse de déplacement de la tête d'aiguilletage 530 entre les points de passage 520 le long de ce rayon de courbure pour adapter au mieux le taux de fibres de Z.
  • La figure 6 représente un ordinogramme du procédé 600 de fabrication d'une préforme textile par aiguilletage selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Le procédé 600 comprend d'abord la détermination 610 d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage selon l'invention, donc par exemple selon le procédé décrit précédemment, puis la fabrication 620 par aiguilletage de la préforme textile sur un outillage de support. L'outillage de support a la même forme que la surface interne de la préforme à réaliser. L'aiguilletage est réalisé à l'aide d'une tête d'aiguilletage programmée selon le programme déterminé dans l'étape 601.
  • Un système d'aiguilletage utilisé pour la fabrication est par exemple un système comprenant :
    • une tête d'aiguilletage programmée selon le programme déterminé ;
    • un bras robotisé mobile selon plusieurs degrés de liberté, portant la tête d'aiguilletage et configuré de manière à déplacer la tête d'aiguilletage suivant des trajectoires et des orientations prédéterminées dans le programme de déplacement et d'orientation ;
    • un dispositif d'alimentation d'une bande textile monté sur la tête d'aiguilletage et configuré pour déposer la bande textile sur un outillage de support et procéder à sa découpe, et
    • une unité de contrôle configurée pour commander le bras robotisé, l'actionnement de la tête d'aiguilletage et le dépôt de la bande textile selon le programme de déplacement et d'orientation de la tête.
  • L'outillage de support utilisé pour déterminer le programme de déplacement et d'orientation de la tête d'aiguilletage et pour la fabrication de la préforme textile peut avoir une forme non-axisymétrique et/ou non-débouchante. Cela permet de réaliser une préforme de forme non-axisymétrique et/ou non-débouchante, qui pourra, par exemple, ainsi former une préforme de protection thermique de rentrée atmosphérique.
  • L'outillage de support peut également tourner, dans les deux sens autour d'un axe de rotation, lors de l'aiguilletage, afin de faciliter les déplacements du bras robotisé. L'unité de contrôle peut, dans ce cas, piloter la rotation de l'outillage de support. Par exemple, elle peut commander l'axe de rotation et/ou la vitesse de rotation de l'outillage de support.
  • L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (5)

  1. Procédé (400) de détermination d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage (530) pour la réalisation d'une préforme textile (500) par aiguilletage d'une bande textile sur un outillage de support (505), comprenant au moins :
    - la détermination (410) d'un ensemble de triplets de coordonnées (x, y, z), (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3) des points de passage (520, 521, 522, 523) de la tête d'aiguilletage (530) en fonction des positions des fibres selon l'axe Z dans la préforme textile à réaliser (500), de sa géométrie locale et d'une distance minimale (dmin) prédéterminée à respecter entre la tête d'aiguilletage et l'outillage de support (505) ou la préforme permettant d'éviter une collision avec cette dernière, et
    - la détermination (420) de l'orientation angulaire (α, β, γ) de la tête d'aiguilletage pour chaque point de passage en fonction de l'orientation angulaire de la bande textile et des fibres en Z dans la préforme textile à réaliser,
    le procédé comprenant en outre la détermination d'une vitesse de déplacement locale de la tête d'aiguilletage en fonction du taux de fibres en Z dans la zone associée de la préforme textile à réaliser et d'une rotation de l'outillage de support.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'outillage de support est en rotation autour d'un axe de rotation (580) et le procédé comprend une projection mathématique (421) des points de passage déterminés dans un plan de référence (540, λ) fixe ou mobile par rapport à l'outillage de support et comprenant l'axe de rotation.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant en outre la réalisation (409) d'un maillage (510) de la géométrie de la préforme textile à réaliser, la détermination de l'ensemble des triplets de coordonnées (x, y, z) étant effectuée sur ce maillage.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'outillage de support a une forme non-axisymétrique et/ou non-débouchante.
  5. Procédé de fabrication (600) d'une préforme textile par aiguilletage comprenant la détermination (610) d'un programme de déplacement et d'orientation d'une tête d'aiguilletage selon l'une des revendications 1 à 4 et la fabrication par aiguilletage (620) de la préforme textile sur un outillage de support, dont la forme correspond à celle de la préforme textile à réaliser, à l'aide d'une tête d'aiguilletage programmée selon le programme déterminé.
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