Les matériaux composites offrent de fortes propriétés mécaniques, et ce, pour une fraction de la masse habituelle. Ils contribuent donc à réduire le poids des véhicules terrestres, marins et aériens, ce qui permet d’augmenter l’efficacité énergétique de ces derniers. Les matériaux composites se retrouvent souvent sous la forme de fibres noyées dans une résine de polymère. Les fibres peuvent être sous la forme d’un tissu, d’une tresse, ou de fibres unidirectionnelles. Comparativement aux tissus et aux fibres unidirectionnelles, les tresses ont l’avantage d’être fabriquées aux dimensions finales de la pièce, ce qui permet de réduire considérablement la quantité de rebuts non recyclable produit. Cependant, les métiers à tresser possèdent des lacunes limitant l’utilisation des tresses pour les matériaux composites.

Les tresses sont produites par l’entrelacement de fils. Pour ce faire, les bobines de fil sont fixées sur des chariots qui se déplacent sur un plan de travail suivant une trajectoire qui s’entrelace. Néanmoins, la trajectoire de ces derniers est fixe, ce qui limite la fabrication de nouvelles géométries de tresses. De plus, les chariots doivent se déplacer sans rentrer en collisions. Pour ce faire, la position initiale des chariots, aussi appelée l’arrangement des chariots, dois être sélectionné correctement, sans quoi, une collision se produira. Or, à ce jour, il n’existe aucune méthode permettant de valider ou d’invalider l’arrangement des chariots, et ce, peu importe le métier à tresser.

Le premier objectif de cette thèse est de développer un algorithme permettant de détecter des collisions entre les chariots basés sur l’arrangement des chariots, permettant ainsi de valider ou d’invalider ce dernier. L’algorithme se base sur la théorie des graphes. Pour ce faire, le plan de travail est représenté par un graphe constitué de faces, de nœuds et d’arêtes. La trajectoire de chaque chariot est définie par une série de nœuds, représentant chacun une position sur le plan de travail. Une collision se produit lorsque deux chariots se trouvent au même endroit simultanément. Sur le graphe, cela implique que deux chariots se trouvent simultanément sur le même nœud. L’algorithme vérifie donc que chaque nœud est uniquement occupé par un chariot en tout temps. L’algorithme a été validé par deux études de cas. La première étude a été effectuée sur un métier à tresser traditionnel, tandis que la deuxième étude a été effectuée sur un métier à tresser pour des tresses en forme de « T ».

Le second objectif de cette thèse est de développer un procédé de fabrication pour les tresses permettant de positionner en tout temps et de façon indépendante les chariots supportant les bobines de fil. Pour ce faire, un nouveau chariot a été conçu. Ce dernier est composé d’une chaîne de trois maillons. Il se déplace sur un plan de travail composé de roues à encoches. Ces dernières sont positionnées selon un arrangement hexagonal compact. Le déplacement du chariot s’effectue par l’entremise des roues à encoches. Le système est similaire à celui d’un système chaîne-pignon. Un prototype a été fabriqué pour valider le concept. À partir de ce prototype, deux tresses ont été fabriquées. La première est une tresse standard à trois fils. La deuxième est une tresse comprenant deux changements de section transversale. Cette dernière débute par une tresse standard à trois fils. Elle se transforme par la suite en un enroulement filamentaire de 3 fils, où deux fils s’enroulent ensemble et le troisième enroule les deux premiers à un pas différent. Finalement, l’enroulement filamentaire se transforme en tresse standard à 3 fils. Ces changements de section ont été effectués de façon automatique, sans arrêter le procédé de fabrication. Il est donc possible de contrôler la position de chaque chariot.

Le troisième objectif de cette thèse est de développer un algorithme permettant d’éviter les collisions dans les métiers à tresser à trajectoires non fixes en exploitant la flexibilité du déplacement des chariots. Cet algorithme se base également sur la théorie des graphes. Similaire au premier objectif, le plan de travail est représenté par un graphe constitué de faces, de nœuds et d’arêtes. La trajectoire de chaque chariot est définie par une série de nœuds, représentant chacun une position sur le plan de travail. Les collisions sont évitées en prescrivant un délai à un ou plusieurs chariots. Les délais retardent le déplacement des chariots, évitant ainsi les collisions. Une étude de cas a été effectuée sur un prototype d’un métier à tresser à trajectoires variables pour valider l’algorithme. Lors du déplacement simultané de trois chariots, une collision a été évitée en retardant le déplacement d’un chariot par un délai prescrit par l’algorithme.

Les trois objectifs ont été atteints. En premier lieu, une solution simple et automatique est proposée pour valider ou infirmer l’arrangement des chariots. Cette dernière peut être utilisée sur n’importe quel métier à tresser. De plus, une méthode automatique réduit le risque d’erreur qui peut être coûteux en termes de matériels endommagés ou rendre la machine inopérable. En second lieu, un procédé de fabrication est présenté. Ce dernier permet de contrôler la position et l’orientation de chaque fils, ce qui permet la fabrication de pièces en composites tressés mieux adaptée aux requis de forme et offre une plus grande liberté de conception aux ingénieurs. Les pièces à géométrie complexe, telles que les cadres et les fourches de vélos, peuvent désormais être fabriquées en une seule étape de fabrication, et ce, de façon automatique. Finalement, l’algorithme permettant d’éviter les collisions dans les métiers à tresser à trajectoires variables servira de jalon pour la programmation automatique des métiers à tresser, favorisant ainsi l’exploitation des fortes propriétés mécaniques des composites tressés 3D. À ce jour, il n’existe aucune méthode reliant la géométrie du textile aux trajectoires des chariots (cinématique inverse). La capacité à déduire l’entrelacement des fils, or la trajectoire des chariots, à partir d’une tresse ou d’un modèle de tresse donné est réservée aux experts. Il serait intéressant d’élaborer une méthode pour résoudre la cinématique inverse.

Composite materials offer strong mechanical properties at a fraction of the usual weight. Therefore, they contribute to reducing the weight of land, sea and air vehicles, which increases the energy efficiency of these vehicles. Composite materials are often found in the form of fibers embedded in a polymer resin. The fibers can be in the form of a fabric, a braid, or unidirectional fibers. Compared to woven fabrics and unidirectional fibers, braids have the advantage of being manufactured to the final dimensions of the part, which greatly reduces the amount of nonrecyclable waste produced. However, braiding machines have shortcomings that limit the use of braids for composite materials.

Braids are produced by intertwining yarns. To do this, the spools of yarn are attached to carriers that move along an intertwining path on a bedplate. The path of the carriers is fixed, which limits the manufacture of new braid geometries. In addition, the carriers must move without colliding. To do this, the initial position of the carriers, also called the carrier arrangement, must be selected correctly, otherwise, a collision will occur. However, there is no method to validate or invalidate the carriage arrangement, regardless of the braiding machine.

The first objective of this thesis is to develop an algorithm to detect collisions between carriers based on the carrier arrangement, thus allowing to validate or invalidate the latter. The algorithm is based on graph theory. To do this, the bedplate is represented by a graph made of faces, vertices and edges. The trajectory of each carrier is defined by a series of vertices, each representing a position on the bedplate. A collision occurs when two carriers are in the same location simultaneously. On the graph, this implies that two carriers are simultaneously on the same vertex. Therefore, the algorithm checks that each vertex is only occupied by one carrier at all times. The algorithm was validated by two case studies. The first study was performed on a traditional braiding machine, while the second study was performed on a braiding machine, which produces "T" shaped braids.

The second objective of this thesis is to develop a manufacturing process for braids that allows the positioning of the carrier at all times and in an independent manner. For this purpose, a new carrier is designed. It is composed of a three-link chain. It moves on a bedplate composed of horngears. The horngears are positioned in a compact hexagonal arrangement. The carrier is moved by the horngears. The system is similar to a chain-sprocket system. A prototype was built to validate the concept. From this prototype, two braids were manufactured. The first is a standard three yarns braid. The second is a braid with two cross-section changes. The latter starts with a standard three yarns braid. It then changes to a filament winding, where two yarns are winded together and the third yarn winds the first two at a different pitch. Afterward, the filament winding changes to a standard three yarns braid. These section changes were performed automatically, without stopping the manufacturing process. It is therefore possible to control the position of each carrier.

The third objective of this thesis is to develop an algorithm to avoid collisions in braiding machines with non-fixed paths by exploiting the flexibility of the carrier’s movement. This algorithm is also based on graph theory. Similar to the first objective, the bedplate is represented by a graph consisting of faces, vertices and edges. The path of each carrier is defined by a series of vertices, each representing a position on the bedplate. Collisions are avoided by prescribing a delay to one or more carriers. Delays postpone the movement of the carriers, thus avoiding collisions. To validate the algorithm, a case study was performed on a prototype of a braiding machine with variable carrier’s paths. Three carriers were moved simultaneously. A collision was avoided by delaying the movement of one carrier, as prescribed by the algorithm.

All three objectives have been achieved. First, a simple and automatic solution is proposed to validate or invalidate the arrangement of the carriers. This solution can be used on any braiding machine. Moreover, an automatic method reduces the risk of error, which can be costly in terms of damaged materials or can render the machine inoperable. Secondly, a manufacturing process is presented. This process allows to control the position and the orientation of each carrier, which allows for the fabrication of braided composite parts that are better suited to shape requirements and provides greater design freedom to engineers. Parts with complex geometries, such as bicycle frames and forks, can now be manufactured in a single automatic step. Finally, the algorithm for preventing collisions in variable path braiding machines will serve as a milestone for programming variable paths braiding machines, thus promoting the exploitation of the strong mechanical properties of 3D braided composites. To date, there is no method linking the textile geometry to the carriers’ trajectories (inverse kinematics). The ability to deduce the yarn crossovers, therefore the carrier’s trajectory, from a given braid or braided geometry is reserved to experts. It would be interesting to develop a method to solve the inverse kinematics.