WO2018020162A9 - Dispositif et procédé pour la fabrication d'une préforme fibreuse - Google Patents

Dispositif et procédé pour la fabrication d'une préforme fibreuse Download PDF

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WO2018020162A9
WO2018020162A9 PCT/FR2017/052095 FR2017052095W WO2018020162A9 WO 2018020162 A9 WO2018020162 A9 WO 2018020162A9 FR 2017052095 W FR2017052095 W FR 2017052095W WO 2018020162 A9 WO2018020162 A9 WO 2018020162A9
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wicks
locks
fiber placement
robot
guide
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Patrice Rabate
Etienne PICARD
Marc DOUILLY
Catherine Duval
Stéphane CARO
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Irt Jules Verne
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a device and method for the manufacture of a laminated piece by depositing ribbons, in particular a fibrous preform.
  • the invention belongs more particularly to the field of additive manufacturing and to obtaining composite parts of complex shape by agile means such as robots.
  • the so-called automated fiber placement technique makes it possible, by applying narrow wicks, to deposit continuous, dry or pre-impregnated fibers of a thermosetting or thermoplastic polymer, according to complex contours, onto a laying surface. extending in three dimensions and reproducing the shape of the final piece.
  • a fiber placement head comprises means for conveying the wicks to be deposited, a pressure roller, for applying said wicks to the preform, a device for heating the interface between the wicks deposited and the preform, a device for tension for tensioning the wicks between their point of pressing by the roller on the preform and their exit from the conveying means, and a die, located between the exit of the conveying means and the pressure roller and for positioning the wicks of fibers with respect to said roll.
  • the automated fiber placement is achieved by supporting and moving the dispensing head by a machine tool, comprising at least 5 axes of displacement, for example a gantry architecture machine.
  • the production of pieces having a curvature, simple or double, significant on this type of means nevertheless poses difficulties. Indeed the possible curve of the part is limited by the opening of the gantry and the races on the various axes, it is necessary to precisely position the tool on which is carried out the removal of fibers relative to the mark of the machine, it The form of removal must be transferred into the space of the machine.
  • the composite parts with continuous reinforcement are aircraft fuselage panels.
  • the invention aims at solving the disadvantages of the prior art and for this purpose concerns a fiber placement head, adapted to be handled by a robot, comprising a mobile die capable of moving the wicks under tension between the routing device. and the pressure roller; the mobile sector includes:
  • the fiber placement head which is the subject of the invention makes it possible to perform positioning correction of the locks as close as possible to their point of delivery.
  • the configuration of said mobile die is intended to be modified in real time by driving said robot to correct the positioning of the wicks substantially instantaneously.
  • the movable guide is continuously controlled by an integrated motor in the fiber placement head to continuously adjust the position of the locks. With such a configuration, any positioning offset of the locks with respect to a desired position can be corrected.
  • a retrofit for example is system positioning errors that integrates the head according to the invention, or the natural deviance of the locks on certain paths can be operated.
  • the positioning of the locks may deliberately be off-center to apply a positioning offset of the locks.
  • the movable guide is advantageously positioned downstream of the fixed guide, the intended direction of progression of the locks being taken as a reference.
  • the invention is advantageously implemented according to the embodiments and variants described below, which are to be considered individually or in any technically operative combination.
  • the wicks are guided in the fixed guide by conical slots of rectangular input section, adapted to the width of the wicks and circular output section.
  • the rectangular section at the entrance of the fixed guide maintains the locks in their relative positioning, while the output section allows the clearance necessary for the positioning correction by the moving guide.
  • the fixed guide comprises cylindrical lights of circular inlet section adapted to the width of the wicks and circular output section conferring both the sufficient maintenance and the clearance required for the aforesaid positioning correction by the movable guide.
  • the wicks are guided in the movable guide by conical orifices of circular inlet section and rectangular outlet section adapted to the width of the wicks.
  • the inlet and outlet sections of the orifices of the movable guide are connected to the faces of said guide by at least one element selected from connection fillet or rounding connection. Said rounding or leave that are removal or withdrawal of material on the edges of the orifices which are in fact without offensive edge, avoid degrading the locks during relative movements of the movable guide relative to the fixed guide.
  • the invention also relates to a robotic system for forming a fibrous preform by placing fibers, which system comprises:
  • a fiber placement head comprising a mounting interface on a robot
  • the robotic system that is the subject of the invention comprises:
  • an additive manufacturing head including a mounting interface on a robot
  • At least one robot adapted to connect with the deposition head or the additive manufacturing head to move them on the surface of the deposition form.
  • the implementation of the additive manufacturing makes it possible to locally modify the profile of the surface of the deposit form, this modification being carried out in the reference system of the robotic system.
  • the implementation of the fiber placement head makes it possible to adapt the trajectories locally.
  • the system that is the subject of the invention is particularly suitable for producing, by placement of fibers, a large-sized fiber preform.
  • the system which is the subject of the invention comprises: f. three-dimensional measuring means.
  • three-dimensional measuring means denotes a means for locating, by the measurement, at least one point according to its three-dimensional coordinates in the space of the robot.
  • ii. calculate according to the error measured in i) the correction of displacement of the locks to be applied; iii. shifting the movable guide of the moving die of the fiber placement head according to the displacement calculated in ii).
  • the combination of measurement and correction by the mobile die improves the accuracy of removal of the robotic system.
  • the method according to the invention comprises the steps of:
  • the method according to the invention comprises, according to this last embodiment, before step iv), a step consisting in: iv. measuring the shape of the local relief made by the three-dimensional measuring means;
  • step v) comprising an operation of modifying the positioning of the locks by means of the moving die as a function of the difference measured between the theoretical profile of the relief made in step iv) and of its shape measured during the step vi).
  • fibrous preform denote a stratification of plies comprising continuous fibers, carbon, aramid, glass or polymer without these examples being limiting, pre-impregnated with a thermosetting polymer or thermoplastic in quantity. sufficient, generally greater than 5%, to ensure the adhesion of the folds relative to each other, either by the natural stickiness of said polymer or by the thermal activation of the adhesion between the polymer contained in the already deposited folds and fibers deposited on the preform.
  • the preform is said to be dry when it contains 5% or less of polymer, it is then used in an injection or resin infusion operation to obtain the final piece.
  • the preform comprises the amount of polymer in the final piece, of the order of 30% or more, which final piece is obtained by baking or consolidation of said preform.
  • FIG. 1 shows a view of principle and profile an embodiment of a fiber placement head according to the invention
  • FIG. 2 illustrates, in a principle perspective view, an exemplary embodiment of a mobile die
  • FIG. 3 is a partial end view of the side of the input face of the locks in the movable guide
  • FIG. 4 is a detailed view of a light of the moving guide on the side of the exit face of the wicks
  • the fiber placement head (100) object of the invention is adapted to the removal of one or a plurality of wicks (120) continuous, so as to perform a stratification of pleats , on a form (190) of deposit.
  • said continuous locks consist of carbon, glass, aramid or polymer fibers, without these examples being limiting, pre-impregnated with a thermosetting or thermoplastic polymer, for example an epoxy resin or a polyetheretherketone, or PEEK, in a proportion of between 20% and 50%.
  • said locks are said to be dry and comprise a binder in the form of a thermosetting resin or a thermoplastic polymer in a proportion less than 5%.
  • the locks are in the form of flat ribbons, a width of 6.35 mm according to an exemplary embodiment, and are applied to the form (190) of removal, and where appropriate on the previously deposited folds, by a pressure roller (1 1 1).
  • the tack of the polymer is activated by heating in order to bond the locks to the depositing shape.
  • the welding of said locks on the depositing shape is activated by heating the interface between the deposited locks and the depositing form by means of a heat source (1 15) so to bring said polymer to a temperature close to its melting temperature.
  • said heat source (1 15) consists of a hot air blow gun, a laser, or an infrared radiation source, or a combination of several of these means.
  • the heat source (1 15) is also used in order to facilitate the relative sliding of the fibers included in the locks, in particular during the removal according to curved or "steering" paths.
  • means allow to install a tension in the wicks so as to prevent them from kinking or wrinkling during removal.
  • said die is mobile and comprises a fixed guide (1 12) and a movable guide (1 13).
  • the movable guide (1 13) of the mobile die of the fiber placement head object of the invention comprises a plurality of orifices (213) whose section reproduces the section of the wicks filed. Said orifices (213) are positioned according to the organization of the locks during removal.
  • the mobile guide (1 13) of the die moves in translation (250) relative to the fixed part (1 1 2), in a direction substantially parallel to the axis of rotation of the pressure roller.
  • This displacement is, according to exemplary embodiments, obtained via a rack and pinion system, via a linear motor, or by a ball screw controlled by a stepper motor.
  • the speed of removal of the locks is equal to or less than 1000 mm.
  • s -1 advantageously it is equal to or less than 800 mm. s "1 , still more preferably it is 50 to 300 mm s 1 , or even 75 to 150 mm. s "1 ; and the lateral displacement speed of the movable guide (13) is equal to or less than 10 mm. s "1 , the lateral clearance allowed of the moving guide being of the order of 20 m m.
  • the fixed guide (1 12) comprises a plurality of lights (212) adapted to receive the wicks from the conveying means.
  • the section of the lights (212) of the fixed guide evolves from a rectangular section adapted to the width of the wicks, at their entry into the fixed guide from the conveying means, to a circular section of a diameter sufficient to allow the travel of the locks, without interference, within the limits of the deflection corresponding to the authorized range of movement of the movable guide (1 13).
  • This movable guide (1 13) makes it possible to refocus the strands on the pressure roller in the event of slipping, in particular in a steering situation, or to deliberately decenter the strands relative to the roller in order to correct a removal trajectory.
  • the orifices (213) of the movable guide (1 13) are conical, in a conicity opposite to those of the slots (212) of the fixed guide in the direction of progression of the locks, the section (312) input of the wicks being circular and the outlet section (313) being rectangular.
  • This shape makes it possible to progressively guide the bits leaving in the fixed guide of the die, towards their point of application at the level of the pressure roller.
  • the width of the outlet section (313) of the orifices of the movable guide is adapted to the width of the deposited locks, with a lateral clearance of the order of 0.1 mm, so as to allow a guide of said wicks during movement of said movable guide.
  • the height of this rectangular section is of the order of 1 mm.
  • the diameter of the input section is equivalent to the output diameter of the fixed guide lights.
  • the plurality of slots (212) of the fixed guide (1 12) able to receive the locks from the conveying means is of cylindrical section with a substantially identical inner diameter over the entire length of said lights (212).
  • the movable guide (1 13) may not be connected and / or mounted on the fixed guide, but be deported relative thereto.
  • all the characteristics described above in connection with FIG. 3, and which concern the conformation of the slots of the moving guide (1 13), are advantageously present to optimize the positioning of the locks.
  • Said inlet section is advantageously radiated by a fillet (31 1) connecting to the face of the guide.
  • the radius of the fillet is about 20% of the diameter of the inlet section.
  • the movable guide is made of a material resistant to abrasion of the fiber locks and resistant to the temperature prevailing in the vicinity of the heat source of the dispensing head, and preferably having a low coefficient of thermal expansion, for example an INVAR® type tool steel or a ceramic.
  • edges of the lips of the outlet section (313) of the orifices of the movable guide are also advantageously radiated (leaves, rounded, etc.) so as to facilitate the sliding of the locks and to prevent the degradation thereof on the edges of said lips.
  • the fiber placement head (100) object of the invention is advantageously carried and moved by means of a robot (500) poly-articulated to deposit the locks on a form (590) of large deposition.
  • the form (590) of removal is fixedly mounted in / or on a device (not shown) for moving it compared to the robot.
  • said robot (500) is placed on a translation guide system (550) comprising guide rails, motorized displacement means and a rule for determining its precise position.
  • the movements of the robot, according to its axes of articulation and according to the translational movement system, as well as all the functions of the fiber placement head, are controlled by a programmable control unit (not shown) with numerical control, allowing in particular to control the axes of the robot so as to achieve the trajectories of the fiber placement head on the preform.
  • the axes controlled include the relative displacement of the movable guide relative to the fixed guide of the die of the dispensing head.
  • Said robot also comprises a wick reel (not shown) and means (520) for conveying said wicks to the fiber placement head (100).
  • the mobile die and more particularly the displacement of the movable guide relative to the fixed guide is controlled as an additional axis independent of the robot, according to a displacement instruction for the offset of the locks.
  • said setpoint is obtained and calculated via, alone or jointly:
  • the robot or the fiber placement head are equipped with optical targets whose position is measured by a sensor;
  • the setpoint comes from an onboard sensor, an external sensor, a mathematical model or another system, or a combination of such measures.
  • a closed loop control is then performed for the control of the mobile die, to know the error to be corrected, the displacement of the corresponding fixed guide, depending on the actual movement of the locks at the deposit.
  • the mobile die is used to correct the positioning of the locks up to an error of +/- 5 mm.
  • the correction is performed by the axes of the robot.
  • the movable guide having a low mass and being moved along an axis, it is moved at high speeds and accelerations compared to those allowed by the robot.
  • the correction is almost instantaneous and precise, even for small displacements.
  • the corrections implementing the entire robot imply a displacement of all the axes.
  • connection of the fiber placement head (1 00) with the robot is easily detachable and the robot is able to change effector.
  • a second robot for example also moving on the guide device (550) in translation, is also able to carry effectors.
  • one of these effectors is an additive manufacturing head, for example, by spraying / melting a polymer or metal powder, or by melting a polymer wire.
  • the additive manufacturing head carried by the same robot or another robot, is used to create a boss (591) on the surface of the deposition form (590) beforehand. fiber placement operation. Created in the system reference, said boss is perfectly positioned with respect to this reference system. Also, tracking the trajectory corresponding to the removal of wicks on this boss does not include any error relative to the positioning of the boss in the system repository.
  • the material deposited by additive manufacturing for the realization of this boss is selected so that it resists the temperature reached at the interface between the wick and the preform during the fiber placement operation.
  • the system which is the subject of the invention comprises a three-dimensional measurement means.
  • Said means implements probing, or optical means. It is for example used to measure, in the system reference system, the exact shape of the boss (591) made by additive manufacturing. Said measurement makes it possible to correct the theoretical trajectories followed by the fiber placement head, when performing removal on said boss (591), to adapt said trajectories to the actual profile of said boss. These course corrections are, at least in part, performed by means of the movable die of the fiber placement head object of the invention.
  • the additive manufacturing head of the system that is the subject of the invention is used to make arrangements on the preform after the fiber placement operation.
  • the deposited material is selected so that it can bond with the impregnation polymer of the locks.
  • Such arrangements constitute, for example, functional forms for positioning or assembly purposes.
  • the additive manufacturing head is used to make implants between the plies deposited during the fiber placement operation.

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Abstract

Tête de placement fibres (100), adaptée pour être manipulée par un robot (300), comprenant une filière mobile (112, 113) apte à déplacer les mèches (120) sous tension entre le dispositif d'acheminement (320) et le rouleau presseur (111).

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ POUR LA FABRICATION D'UNE PRÉFORME FIBREUSE
L'invention concerne un dispositif et procédé pour la fabrication d'une pièce stratifiée par dépose de rubans, notamment une préforme fibreuse. L'invention appartient plus particulièrement au domaine de la fabrication additive et à l'obtention de pièces composites de forme complexe par des moyens agiles tels que des robots.
La technique dite de placement de fibres automatisé, permet, par l'application de mèches de faible largeur, de déposer des fibres continues, sèches ou préimprégnées d'un polymère thermodurcissable ou thermoplastique, selon des contours complexes, sur une surface de dépose s'étendant selon trois dimensions et reproduisant la forme de la pièce finale.
Une tête de placement de fibre comprend des moyens d'acheminement des mèches à déposer, un rouleau presseur, permettant d'appliquer lesdites mèches sur la préforme, un dispositif de chauffage de l'interface entre les mèches déposées et la préforme, un dispositif de tension permettant de tendre les mèches entre leur point de pressage par le rouleau sur la préforme et leur sortie des moyens d'acheminement, et une filière, située entre la sortie des moyens d'acheminement et le rouleau presseur et permettant de positionner les mèches de fibres par rapport audit rouleau.
Le placement de fibre automatisé est réalisé en supportant et en déplaçant la tête de dépose par une machine-outil, comprenant au moins 5 axes de déplacement, par exemple une machine d'architecture portique.
La réalisation de pièces présentant une courbure, simple ou double, significative sur ce type de moyen pose néanmoins des difficultés. En effet le galbe possible de la pièce est limité par l'ouverture du portique et les courses sur les différents axes, il est nécessaire de positionner précisément l'outillage sur lequel est réalisée la dépose de fibres par rapport au repère de la machine, il faut transférer la forme de dépose dans l'espace de la machine. Selon un exemple non limitatif les pièces composites à renfort continu, plus particulièrement visées par l'invention, sont des panneaux de fuselage d'aéronef.
Afin de résoudre ces inconvénients et accroître l'agilité des moyens de production, il est par exemple connu de l'art antérieur de faire réaliser la dépose de mèches au moyen d'un robot. Le document FR 2 998 838 décrit un exemple de mise en œuvre d'un placement automatisé de fibres au moyen d'un robot sur une forme de petite dimension. Toutefois, la transposition d'une telle solution à des pièces de plus grande dimension se heurte à la précision intrinsèque du robot, et à celle de son déplacement le long de la préforme. En effet, l'agilité du robot se paye généralement au prix d'une précision de positionnement, de suivi de trajectoire et d'une rigidité, inférieures à celles produites par une machine-outil. Le contrôle commande du robot permet de compenser en partie ces défauts lorsque le robot est porteur d'un effecteur simple comme un outil d'usinage, rigide, dont le centre outil est connu et dont la correction de trajectoire est immédiate. Dans le cas où l'effecteur est une tête de placement de fibres, celle-ci ne possède pas ces qualités et dans certaines circonstances, la correction de trajectoire ne peut être réalisée directement par une compensation au moyen des axes du robot.
La dépose de mèches sur une forme de dépose complexe, pose le problème de l'adéquation de la trajectoire programmée par rapport au profil réel de la forme, ce qui revient essentiellement à un problème de positionnement de ladite forme dans le repère de travail du robot ou de la machine, et le problème du suivi de la trajectoire théorique programmée, non seulement par la tête de dépose mais aussi par les mèches déposées. Si des moyens de mesure et de compensation de trajectoire permettent de répondre à ces besoins sur une forme de grande dimension galbée selon deux courbures uniformes sur toute sa surface, la difficulté intervient lorsque ladite forme comprend localement des modifications de courbure, par exemple sous la forme de reliefs s'étendant sur de courtes distances. Les erreurs de trajectoire et de positionnement sur ces zones, erreurs de l'ordre du millimètre, conduisent à des défauts dans la pièce finale.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin une tête de placement de fibres, adaptée pour être manipulée par un robot, comprenant une filière mobile apte à déplacer les mèches sous tension entre le dispositif d'acheminement et le rouleau presseur ; la filière mobile comprend :
- un guide fixe ;
une guide mobile par rapport au guide fixe ; des moyens pilotés pour déplacer le guide mobile relativement au guide fixe, selon une direction parallèle à l'axe de rotation du rouleau presseur. Ainsi la tête de placement de fibres objet de l'invention permet de réaliser une correction de positionnement des mèches au plus près de leur point de dépose. La configuration de ladite filière mobile est prévue pour être modifiée en temps réel par pilotage dudit robot pour corriger le positionnement des mèches sensiblement en instantané. De manière particulièrement avantageuse, le guide mobile est asservi continuellement par un moteur intégré dans la tête de placement de fibres pour ajuster en continu la position des mèches. Grâce à une telle configuration tout décalage de positionnement des mèches par rapport à une position désirée peut être corrigé. Un rattrapage par exemple soit des erreurs de positionnement du système qui intègre la tête selon l'invention, soit de la déviance naturelle des mèches sur certaines trajectoires peut être opéré. De même, le positionnement des mèches peut volontairement être décentré pour appliquer un décalage de positionnement des mèches.
Le guide mobile est avantageusement positionné en aval du guide fixe, le sens prévu de progression des mèches étant pris comme référence. L'invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Avantageusement, les mèches sont guidées dans le guide fixe par des lumières coniques de section d'entrée rectangulaire, adaptée à la largeur des mèches et de section de sortie circulaire. Ainsi, la section rectangulaire à l'entrée du guide fixe maintient les mèches dans leur positionnement relatif, alors que la section de sortie permet le débattement nécessaire à la correction de positionnement par le guide mobile. Alternativement, le guide fixe comporte des lumières cylindriques de section d'entrée circulaire adaptée à la largeur des mèches et de section de sortie circulaire lui conférant à la fois le maintien suffisant et le débattement nécessaire à la susdite correction de positionnement par le guide mobile.
Avantageusement, les mèches sont guidées dans le guide mobile par des orifices coniques de section d'entrée circulaire et de section de sortie rectangulaire, adaptée à la largeur des mèches.
Avantageusement, les sections d'entrée et de sortie des orifices du guide mobile sont raccordées aux faces dudit guide par au moins une élément sélectionné parmi des congés de raccordement ou des arrondis de raccordement. Lesdits arrondis ou congés qui sont des enlèvements ou retraits de matière sur les bordures des orifices qui sont de fait sans arête blessante, évitent de dégrader les mèches lors des déplacements relatifs du guide mobile par rapport au guide fixe.
L'invention concerne également un système robotisé pour la constitution d'une préforme fibreuse par placement de fibres, lequel système comprend :
a. une forme de dépose ;
b. une tête de placement de fibres selon l'invention comprenant une interface de montage sur un robot ;
c. un moyen de mesure de l'erreur de placement des mèches. Un tel système tire avantage de la possibilité de correction de placement des mèches par la filière mobile pour une meilleure précision de dépose.
Selon un mode de réalisation, le système robotisé objet de l'invention comprend :
d. une tête de fabrication additive comprenant une interface de montage sur un robot ;
e. au moins un robot apte à se connecter avec la tête de placement défibres ou la tête de fabrication additive pour les déplacer sur la surface de la forme de dépose.
Ainsi, la mise en œuvre de la fabrication additive permet de modifier localement le profil de la surface de la forme de dépose, cette modification étant réalisée dans le repère du système robotisé. La mise en œuvre de la tête de placement de fibre permet d'adapter localement les trajectoires. Ainsi le système objet de l'invention est particulièrement adapté à la réalisation, par placement de fibres, d'une préforme fibreuse de grande dimension.
Avantageusement le système objet de l'invention comprend : f. un moyen de mesure tridimensionnel.
Ledit moyen permet de mesurer le profil réel de la forme de dépose et de corriger les trajectoires en conséquence. Les termes « moyen de mesure tridimensionnel » désignent un moyen permettant de localiser, par la mesure, au moins un point selon ses coordonnées tridimensionnelles dans l'espace du robot.
Le système objet de l'invention est avantageusement mis en œuvre selon un procédé pour la fabrication d'une préforme fibreuse comprenant les étapes consistant à :
i. mesurer une erreur de positionnement des mèches au cours de la dépose ;
ii. calculer en fonction de l'erreur mesurée en i) la correction de déplacement des mèches à appliquer ; iii. décaler le guide mobile de la filière mobile de la tête de placement de fibres en fonction du déplacement calculé en ii).
Ainsi, la combinaison de la mesure et de la correction par la filière mobile permet d'améliorer la précision de dépose du système robotisé.
Selon un mode de réalisation particulier, mettant en oeuvre un système robotisé comprenant une tête de fabrication additive, le procédé objet de l'invention comprend les étapes consistant à :
iv. créer sur la forme de dépose un relief local au moyen de la tête de fabrication additive ;
v. déposer des mèches sur la forme selon une trajectoire couvrant ledit relief local.
Avantageusement le procédé objet de l'invention comprend, selon ce dernier mode de réalisation, avant l'étape iv), une étape consistant à : iv. mesurer la forme du relief local réalisé par le moyen de mesure tridimensionnel ;
l'étape v) comprenant une opération consistant à modifier le positionnement des mèches au moyen de la filière mobile en fonction de l'écart mesuré entre le profil théorique du relief réalisé à l'étape iv) et de sa forme mesurée au cours de l'étape vi).
Dans tout le texte les termes « préforme fibreuse » désignent une stratification de plis comprenant des fibres continues, de carbone, d'aramide, de verre ou de polymère sans que ces exemples ne soient limitatifs, préimprégnées d'un polymère thermodurcissable ou thermoplastique en quantité suffisante, généralement supérieure à 5 %, pour assurer l'adhésion des plis les uns par rapport aux autres, soit par la pégosité naturelle dudit polymère soit par l'activation thermique de l'adhésion entre le polymère contenu dans les plis déjà déposés et les fibres déposées sur la préforme. La préforme est dite sèche lorsqu'elle contient 5 % ou moins de polymère, elle est alors mise en oeuvre dans une opération d'injection ou d'infusion de résine pour obtenir la pièce finale. Alternativement la préforme comprend la quantité de polymère de la pièce finale, de l'ordre de 30 % ou plus, laquelle pièce finale est obtenue par cuisson ou consolidation de ladite préf orme.
L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 5, dans lesquelles :
- la figure 1 montre selon une vue de principe et de profil un exemple de réalisation d'une tête de placement de fibres selon l'invention ;
- la figure 2 illustre selon une vue de principe en perspective un exemple de réalisation d'une filière mobile ;
- la figure 3 est une vue partielle en bout du côté de la face d'entrée des mèches dans le guide mobile ;
- la figure 4 est une vue de détail d'une lumière du guide mobile du côté de la face de sortie des mèches ;
- et la figure 5 illustre selon une vue en coupe, un exemple de mise en œuvre du système objet de l'invention.
Figure 1 , selon un exemple de réalisation la tête de placement de fibres (100) objet de l'invention est adaptée à la dépose d'une ou d'une pluralité de mèches (120) continues, de sorte à réaliser une stratification de plis, sur une forme (190) de dépose. Selon un exemple de réalisation, lesdites mèches continues sont constituées de fibres de carbone, de verre, d'aramide ou de polymère, sans que ces exemples ne soient limitatifs, préimprégnées d'un polymère thermodurcissable ou thermoplastique, par exemple une résine époxyde ou un polyéther éthercétone, ou PEEK, dans une proportion comprise entre 20 % et 50 %. Selon un autre mode de mis en oeuvre, lesdites mèches sont dites sèches et comprennent un liant sous la forme d'une résine thermodurcissable ou d'un polymère thermoplastique dans une proportion inférieure à 5 %. Les mèches, se présentent sous la forme de rubans plats, d'une largeur de 6,35 mm selon un exemple de réalisation, et sont appliquées sur la forme (190) de dépose, et le cas échéant sur les plis déposées précédemment, par un rouleau presseur (1 1 1 ). Lorsque les mèches sont imprégnées d'un polymère thermodurcissable, la pégosité du polymère est activée par chauffage afin de coller les mèches sur la forme de dépose. Lorsque les mèches sont imprégnées d'un polymère thermoplastique, le soudage desdites mèches sur la forme de dépose est activé en chauffant l'interface entre les mèches déposées et la forme de dépose au moyen d'une source de chaleur (1 15) de sorte à porter ledit polymère à une température proche de sa température de fusion. Selon des exemples non limitatifs, ladite source de chaleur (1 15) consiste en un canon de soufflage d'air chaud, un laser, ou une source de rayonnement infrarouge, ou encore, une combinaison de plusieurs de ces moyens.
La source de chaleur (1 15) est également utilisée afin de faciliter le glissement relatif des fibres comprises dans les mèches, notamment lors de la dépose selon des trajectoires courbes ou « steering ».
Durant le déplacement (150) de la tête de dépose (100), des moyens (non représentés) permettent d'installer une tension dans les mèches sorte à éviter que celles-ci ne se vrillent ou ne se froissent au cours de la dépose.
Avant d'arriver sous le rouleau presseur (1 1 1 ) les mèches sont guidées par une filière permettant de les positionner par rapport audit rouleau presseur (1 1 1 ). Selon cet exemple de réalisation, ladite filière est mobile et comporte un guide fixe (1 12) et un guide mobile (1 13).
Figure 2, selon un exemple de réalisation, le guide mobile (1 13) de la filière mobile de la tête de placement de fibres objet de l'invention, comprend une pluralité d'orifices (213) dont la section reproduit la section des mèches déposées. Lesdits orifices (213) sont positionnés conformément à l'organisation des mèches lors de la dépose. Selon cet exemple de réalisation, le guide mobile (1 13) de la filière se déplace en translation (250) relativement à la partie fixe (1 1 2), selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation du rouleau presseur. Ce déplacement est, selon des exemples de réalisation, obtenu par l'intermédiaire d'un système pignon-crémaillère, par l'intermédiaire d'un moteur linéaire, ou par une vis à billes commandée par un moteur pas à pas. À titre d'exemple non limitatif, la vitesse de dépose des mèches est égale ou inférieure à 1000 mm. s-1 avantageusement elle est égale ou inférieure à 800 mm. s"1, encore plus avantageusement elle est de 50 à 300 mm. s 1 , voire de 75 à 150 mm. s"1 ; et la vitesse de déplacement latérale du guide mobile (1 13) est égale ou inférieure à 10 mm. s"1 , le débattement latéral autorisé du guide mobile étant de l'ordre de 20 m m.
Le guide fixe (1 12) comprend une pluralité de lumières (212) aptes à recevoir les mèches depuis le moyen d'acheminement. Selon un exemple de réalisation, la section des lumières (212) du guide fixe évolue d'une section rectangulaire adaptée à la largeur des mèches, à leur entrée dans le guide fixe depuis le moyen d'acheminement, jusqu'à une section circulaire d'un diamètre suffisant pour autoriser le débattement des mèches, sans interférence, dans les limites du débattement correspondant à l'amplitude de mouvement autorisée du guide mobile (1 13). Ce guide mobile (1 13), permet de recentrer les mèches sur le rouleau presseur en cas de glissement, notamment en situation de steering, ou encore de décentrer volontairement les mèches par rapport au rouleau afin de corriger une trajectoire de dépose.
Selon une réalisation montrée sur la figure 3 les orifices (213) du guide mobile (1 13) sont coniques, selon une conicité inverse à celles des lumières (212) du guide fixe dans le sens de progression des mèches, la section (312) d'entrée des mèches étant circulaire et la section de sortie (313) étant rectangulaire. Cette forme permet de guider progressivement les mèches sortant dans du guide fixe de la filière, vers leur point d'application au niveau du rouleau presseur. La largeur de la section de sortie (313) des orifices du guide mobile est adaptée à la largeur des mèches déposées, avec un jeu latéral de l'ordre de 0,1 mm, de sorte à permettre un guidage desdites mèches lors du déplacement dudit guide mobile. La hauteur de cette section rectangulaire est de l'ordre de 1 mm. Le diamètre de la section d'entrée est équivalent au diamètre de sortie des lumières du guide fixe.
Selon une autre variante de réalisation, la pluralité de lumières (212) du guide fixe (1 12) aptes à recevoir les mèches depuis le moyen d'acheminement est de section cylindrique avec un diamètre interne sensiblement identique sur la totalité de la longueur desdites lumières (212). Le guide mobile (1 13) peut ne pas être relié et/ou monté sur le guide fixe, mais être déporté par rapport à lui. Dans cette variante également, toutes les caractéristiques décrites précédemment en lien avec la figure 3, et qui concernent la conformation des lumières du guide mobile (1 13), sont avantageusement présentes pour optimiser le positionnement des mèches.
Ladite section d'entrée est avantageusement rayonnée, par un congé (31 1 ) de raccordement à la face du guide. Le rayon du congé de raccordement est de l'ordre de 20% du diamètre de la section d'entrée. Le guide mobile est réalisé dans un matériau résistant à l'abrasion des mèches de fibres et résistant à la température régnant au voisinage de la source de chaleur de la tête de dépose, et présentant, de préférence, un faible coefficient de dilatation thermique, par exemple un acier d'outillage de type INVAR® ou une céramique.
Figure 4, les bords des lèvres de la section de sortie (313) des orifices du guide mobile sont également avantageusement rayonnés (congés, arrondis...) de sorte à faciliter le glissement des mèches et à éviter la dégradation de celles-ci sur les arêtes desdites lèvres.
Figure 5, la tête de placement de fibres (100) objet de l'invention est avantageusement portée et déplacée au moyen d'un robot (500) poly- articulé pour déposer les mèches sur une forme (590) de dépose de grande dimension. La forme (590) de dépose est montée de manière fixe dans/ou sur un dispositif (non représenté) permettant de la déplacer par rapport au robot. Selon cet exemple de réalisation ledit robot (500) est posé sur un système de guidage en translation (550) comprenant des glissières de guidage, des moyens motorisés de déplacement et une règle permettant de déterminer sa position précise. Les déplacements du robot, selon ses axes d'articulation et selon le système de déplacement en translation, ainsi que toutes les fonctions de la tête de placement de fibres, sont commandés par une baie de commande programmable (non représentée) à commande numérique, permettant notamment de piloter les axes du robot de sorte à réaliser les trajectoires de la tête de placement de fibres sur la préforme. Les axes pilotés comprennent le déplacement relatif du guide mobile par rapport au guide fixe de la filière de la tête de dépose. Ledit robot comprend également un dévideur de mèches (non représenté) et des moyens d'acheminement (520) desdites mèches jusqu'à la tête de placement de fibres (100).
Selon un exemple de réalisation, la filière mobile et plus particulièrement le déplacement du guide mobile par rapport au guide fixe, est pilotée comme un axe supplémentaire indépendant du robot, en fonction d'une consigne de déplacement pour le décalage des mèches.
Selon des exemples de réalisation non limitatifs, ladite consigne est obtenue et calculée par l'intermédiaire, seul ou conjointement :
- de la mesure d'une erreur de positionnement du robot porteur, au moyen d'un capteur externe, à cette fin le robot ou la tête de placement de fibres sont équipés de cibles optiques dont la position est mesurée par un capteur ;
- de la mesure d'une erreur de positionnement des mèches par rapport au rouleau, par exemple au moyen d'un capteur embarqué par la tête de placement de fibre ;
- de la mesure d'une erreur d'alignement des mèches en cours de dépose avec les mèches précédentes, au moyen d'un capteur embarqué ou d'un capteur indépendant ; - de l'estimation par un modèle théorique d'une erreur de positionnement du robot ;
- de l'estimation par un modèle théorique, ou une prévision par l'expérience, d'un décalage prévu des mèches par rapport au rouleau, notamment au cours d'une trajectoire courbe en steering.
Ainsi la consigne provient d'un capteur embarqué, d'un capteur externe, d'un modèle mathématique ou d'un autre système, ou d'une combinaison de telles mesures. Une boucle fermée de contrôle est alors réalisée pour la commande de la filière mobile, permettant de connaître l'erreur à corriger, le déplacement du guide fixe correspondant, en fonction du déplacement effectif des mèches au niveau de la dépose.
Selon un exemple de mise en oeuvre, la filière mobile est utilisée pour corriger le positionnement des mèches jusqu'à une erreur de +/- 5 mm. Pour une erreur supérieure, la correction est réalisée par les axes du robot. Le guide mobile ayant une faible masse et n'étant déplacé que selon un axe, celui-ci est déplacé selon des vitesses et des accélérations élevées en regard de celles admises par le robot. Ainsi la correction est quasiment instantanée et précise, y compris pour de faibles déplacements. Les corrections mettant en oeuvre l'ensemble du robot impliquent quant à elles un déplacement de tous les axes.
Selon un exemple de réalisation, la connexion de la tête de placement de fibre (1 00) avec le robot est facilement détachable et le robot est apte à changer d'effecteur. Selon un autre mode de réalisation, un deuxième robot, par exemple se déplaçant également sur le dispositif de guidage (550) en translation, est également apte à porter des effecteurs. Selon un exemple de réalisation, un de ces effecteurs est une tête de fabrication additive, par exemple, par projection/fusion d'une poudre polymère, ou métallique, ou par fusion d'un fil polymère.
Selon un exemple de mise en œuvre de ce système, la tête de fabrication additive, portée par le même robot ou un autre robot, est utilisée pour créer un bossage (591 ) sur la surface de la forme de dépose (590) préalablement à l'opération de placement de fibres. Créé dans le repère du système, ledit bossage est parfaitement positionné par rapport à ce référentiel. Aussi, le suivi de la trajectoire correspondant à la dépose de mèches sur ce bossage ne comporte pas d'erreur relative au positionnement du bossage dans le référentiel du système. Le matériau déposé par fabrication additive pour la réalisation de ce bossage, est sélectionné de sorte à ce qu'il résiste à la température atteinte à l'interface entre les mèche et la préforme lors de l'opération de placement de fibres.
Avantageusement, le système objet de l'invention comprend un moyen de mesure tridimensionnel. Ledit moyen met en œuvre un palpage, ou des moyens optiques. Il est par exemple utilisé pour mesurer, dans le référentiel du système, la forme exacte du bossage (591 ) réalisé par fabrication additive. Ladite mesure permet de corriger les trajectoires théoriques suivies par la tête de placement de fibres, lors de la réalisation de la dépose sur ledit bossage (591 ), pour adapter lesdites trajectoires au profil réel dudit bossage. Ces corrections de trajectoire sont, au moins en partie, réalisées au moyen de la filière mobile de la tête de placement de fibres objet de l'invention.
De manière complémentaire la tête de fabrication additive du système objet de l'invention est utilisée pour réaliser des aménagements sur la préforme après l'opération de placement de fibres. Dans ce cas le matériau déposé est sélectionné de sorte qu'il puisse se lier avec le polymère d'imprégnation des mèches. De tels aménagements constituent par exemple des formes fonctionnelles dans un but de positionnement ou d'assemblage.
Selon une autre variante, la tête de fabrication additive est utilisée pour réaliser des implants entre les plis déposés au cours de l'opération de placement de fibres.
À ces fins et selon un exemple de mise en oeuvre, plusieurs systèmes selon l'invention, sont organisés en chaîne de fabrication, la forme de dépose étant installée sur un dispositif de transfert permettant de la véhiculer entre les différents postes. Le système et le procédé objets de l'invention sont avantageusement utilisés pour la fabrication d'une préforme fibreuse de grande dimension entrant dans la constitution d'un élément de fuselage d'aéronef, d'une coque de navire ou encore d'une pale d'éolienne ou d'hydrolienne.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tête de placement fibres (100), adaptée pour être manipulée par un robot (500), caractérisé en ce qu'elle comprend une filière mobile (1 12,1 13) apte à déplacer les mèches (120) sous tension entre un dispositif d'acheminement (520) et un rouleau presseur (1 1 1 ) ; la filière mobile comprenant :
un guide fixe (1 12) ;
un guide mobile (1 13) par rapport au guide fixe ;
des moyens pilotés pour déplacer le guide mobile (1 13) relativement au guide fixe (1 12), selon une direction parallèle à l'axe de rotation du rouleau presseur (1 1 1 ).
2. Tête de placement de fibres selon la revendication 2, dans laquelle les mèches sont guidées dans le guide fixe par des lumières (212) coniques de section d'entrée rectangulaire, adaptée à la largeur des mèches et de section de sortie circulaire.
3. Tête de placement de fibres selon la revendication 2, dans laquelle le guide fixe comporte des lumières cylindriques (212) de section d'entrée circulaire adaptée à la largeur des mèches et de section de sortie circulaire.
4. Tête de placement de fibres selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les mèches sont guidées dans le guide mobile par des orifices coniques (213) de section d'entrée (312) circulaire et de section de sortie (313) rectangulaire adaptée à la largeur des mèches.
Tête de placement de fibres selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle les sections d'entrée et de sortie des orifices (213) du guide mobile (1 13) sont raccordées aux faces dudit guide par des arrondis de raccordement ou des congés de raccordement (31 1 ).
Système robotisé pour la constitution d'une préforme fibreuse par placement de fibres, caractérisé en ce qu'il comprend :
a. une forme (590) de dépose ;
b. une tête de placement de fibres (100) selon l'une des revendication 1 à 5 comprenant une interface de montage sur un robot (500) ;
c. un moyen de mesure de l'erreur de placement des mèches.
Système robotisé selon la revendication 6, comprenant :
d. une tête de fabrication additive comprenant une interface de montage sur un robot ;
e. au moins un robot (500) apte à se connecter avec la tête de placement de fibres ou la tête de fabrication additive pour les déplacer sur la surface de la forme (590) de dépose.
Système robotisé selon l'une des revendications 6 à 7, comprenant :
f. un moyen de mesure tridimensionnel.
Procédé pour la réalisation d'une préforme fibreuse mettant en oeuvre un système robotisé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : i. mesurer une erreur de positionnement des mèches au cours de la dépose ; ii. calculer en fonction de l'erreur mesurée en i) la correction de déplacement des mèches à appliquer ; iii. décaler le guide mobile de la filière mobile de la tête de placement de fibres en fonction du déplacement calculé en ii).
10. Procédé selon la revendication 9, mettant en œuvre un système robotisé selon l'une des revendication 7 ou 7 et 8 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
iv. créer sur la forme (590) de dépose un relief (591 ) local au moyen de la tête de fabrication additive ;
v. déposer des mèches sur la forme selon une trajectoire couvrant ledit relief (591 ) local.
11. Procédé selon la revendication 10, mettant en œuvre un système robotisé selon la revendication 8, comprenant, avant l'étape ii), une étape consistant à:
vi. mesurer la forme du relief (591 ) local réalisé par le moyen de mesure tridimensionnel ;
l'étape v) comprenant une opération consistant à modifier le positionnement des mèches au moyen de la filière mobile (1 12, 1 13) en fonction de l'écart mesuré entre le profil théorique du relief réalisé à l'étape iv) et de sa forme mesurée au cours de l'étape vi).
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