La manipulation de fibres pour la réalisation de textiles a permis à l’être humain d’évoluer au fil des millénaires. Présentement, les textiles ne servent pas uniquement à la fabrication de vêtements, mais peuvent également servir pour des applications dans le domaine de l’ingénierie, telles que le tressage de matériaux composites. Celui-ci permet d’obtenir, suite à une infusion de résine, des structures composites rigides et légères pour des applications comme dans le domaine de l’aérospatiale.

La fabrication de ces pièces commence sur des machines de tressage. Un type de machine populaire dans l’industrie est de type maypole. Des débobineurs se déplacent selon des trajectoires opposées grâce à des engrenages spéciaux horngears. Le déplacement des débobineurs créé des tresses avec les fils qui se débobinent. Pour maintenir le fil sous tension lors du tressage, celui-ci passe à travers une série de poulies et de surfaces de frottement. Un mécanisme de relâchement ainsi que des ressorts assurent une force moyenne constante dans le fil. La force de tension dans le fil est un paramètre important pour les procédés de tressage parce qu’elle permet au fil de se conformer à un mandrin (s’il y a lieu) et peut affecter diverses propriétés des tresses. La force est ajustée par un opérateur en remplaçant un ressort dans le débobineur avant le démarrage du procédé de tressage.

La revue de littérature a fait ressortir plusieurs enjeux liés aux procédés de tressage circulaire et 3D, ainsi qu’aux débobineurs traditionnels. Parmi ces enjeux, une des causes principales de l’usure prématurée dans le fil est le frottement. La littérature démontre également que les propriétés mécaniques des pièces obtenues sont liées à la force de tension dans le fil lors du débobinage. Les quatre aspects que ce projet adresse sont l’usure par frottement du fil avec diverses surfaces de contact, l’usure par le mécanisme de relâchement des débobineurs traditionnels, l’ajustement de la force de tension et la variation de la force de tension pendant le tressage.

Le premier objectif de recherche consiste à caractériser deux débobineurs traditionnels pour déterminer la variation de la force dans le fil selon deux matériaux filamentaires (fil de nylon et fibre de verre) et selon diverses vitesses de déroulement. Un banc de tests a été mis au point pour tester et analyser les données. Le premier débobineur étudié (offert par le LabSFCA) pouvait appliquer des forces de tension de 0.25 N à 1.5 N avec un écart-type entre 0.05 N et 0.3 N. Le second débobineur étudié (offert par le Groupe CTT) pouvait réaliser des forces de tension de 0.5 N à 4.5 N avec un écart-type entre 0.06 N et 0.43 N. Les résultats des deux débobineurs sont étroitement dépendants du matériau débobiné ainsi que de la vitesse de débobinage. Les débobineurs mécaniques engendraient des oscillations en dents de scie dans la force de tension.

Le second objectif de recherche consiste à développer un débobineur actif devant offrir des meilleures performances que les débobineurs traditionnels. Ce débobineur utilise un moteur sans brosse (brushless DC motor – BLDC) contrôlé par commande vectorielle (field-oriented control). Cette manière d’asservissement permet de contrôler le courant dans les trois phases du moteur et, par une relation proportionnelle, contrôler le couple produit par le moteur. Un circuit de contrôle libre-accès (parODrive Robotics) a été adapté pour l’application du débobineur. Ce circuit de contrôle permet un asservissement en couple du moteur. Le débobineur actif possède un système pour mesurer le bras de levier effectif du fil par rapport à l’axe de rotation du moteur et il est ainsi possible de calculer la tension dans le fil. Ce système de mesure constitue l’unique source de frottement dans le nouveau débobineur.

Le prototype est alimenté par une batterie lithium-polymère (Li-Po) et contrôlé par WiFi grâce à un ordinateur de bord Raspberry Pi Zero W. Le protocole de communication MQTT est utilisé par l’opérateur pour envoyer des commandes de contrôle à partir du poste de travail. L’architecture informatique développée permet à l’opérateur d’envoyer des commandes à plusieurs débobineurs simultanément et de lire des informations à partir de chacun des débobineurs. Ce design novateur peut ouvrir des portes dans l’industrie du tressage pour plusieurs raisons. Il est maintenant possible de contrôler en temps réel la force dans le fil, celle-ci est beaucoup plus constante. Il y a donc beaucoup moins d’usure prématurée du fil. Il est également possible d’obtenir des données pour des fins d’analyse et d’optimisation du procédé. En somme, ce concept permet d’avoir un meilleur contrôle des paramètres de tressage, ce qui permet d’obtenir des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques.

Le troisième objectif de recherche est de caractériser le nouveau débobineur robotisé. L’écart-type dans la force de tension mesurée se trouve entre 0.06 N et 0.12 N, ce qui représente une réduction jusqu’à quatre fois inférieure à celle des débobineurs mécaniques. L’écart-type dans la force mesurée est invariant selon le type de matériau et selon la vitesse de débobinage, contrairement aux débobineurs traditionnels. Il est possible de varier le couple du débobineur en temps réel pour réaliser des forces de tension entre 0 N et 3.5 N. Le débobineur actif est également capable de rembobiner le fil pour le garder tendu. Le principal défaut de cette solution est la génération de chaleur par le moteur ainsi que la puissance de calcul de l’ordinateur de bord qui limite la vitesse de mesure et de transmission par WiFi des données.

Le débobineur actif ouvre la porte à de nouveaux domaines d’étude et d’optimisations. Chacun des débobineurs est doté de plusieurs systèmes de mesures, alors il est possible d’effectuer l’acquisition de données tout au long du procédé de fabrication. Ainsi, il sera maintenant possible de mettre au point des optimisations sur les paramètres de tressage en se basant sur toutes les données générées durant la fabrication de chacune des pièces. Le débobineur actif permet ainsi au procédé de tressage textile de faire le saut vers l’industrie 4.0, l’industrie des données.

The braiding process of textile materials has been around for years and the emergence of the industry 4.0 has finally allowed for new breakthrough in the sector. The braiding of composite materials allows, after consolidation, the manufacturing of structures with interesting mechanical properties such as the making of very light weight and stiff structures in the desired axis. Such parts are used in areas where it is important to reduce as much as possible the weight of the machines, such as the aerospace sector.

The manufacturing of braided parts begins with the braiding machine. One of the most common braiding process is called the “maypole braiding”. The braiding carriers move in a predetermined circular sinusoidal path thanks to special gears called “horngears”. Half of the carriers move in a clockwise motion and the other half in a counter clockwise motion. Thus, their motion causes the yarns to intertwine and build a braided mesh. The yarn unwinds from the carriers by passing through multiple pulleys and friction-inducing surfaces. A release mechanism combined with springs ensure that the yarn is always under tension. The tensioning force is a key parameter for obtaining the desired mechanical properties (such as the cover ratio of the fiber and the braiding angle). The tensioning force is adjusted by manually replacing one of the springs inside the carrier prior to the braiding manufacturing process.

The literature presented many challenges regarding the maypole braiding, the 3D braiding, and the braiding carriers. The main cause of wear in the yarn during manufacturing has been identified as friction. The literature shows that the mechanical properties of the manufactured parts are tightly related to the tension in the yarn during the unwinding of the carriers. The three aspects that can me addressed in this research project are the wear of the yarns due to friction within the carrier, the adjustment of the tension in the yarn, and the variance of the tension during the braiding.

The first research objective is te characterize two traditional carriers in order to identify the variation of the tension for two materials (nylon wire and glass fiber) at different unwinding speeds. A test bench has been constructed in order to conduct the characterisation tests and to analyze the test data. The first carrier studied (provided by ACFSLab) could apply tensions in the fiber from 0.25 N to 1.5 N with a standard deviation between 0.05 N and 0.3 N. The second carrier studied (provided by CTT Group) could apply tensions in the yarn from 0.5 N to 4.5 N with a standard deviation between 0.06 N and 0.43 N. These values were tightly related to the braiding material and the unwinding speed. Both carriers produced saw-shaped mechanical oscillations in the tension force.

The second research objective is to develop an active carrier that would offer better performances than traditional carriers. This novel carrier uses a brushless DC motor controlled using field-oriented control. This method allows the precise control of the current in each one of the three phases of the motor. An open-sourced control circuit (developed originally by ODrive Robotics) has been adapted for our application. This driver is able to control the torque of the motor by “pushing” more current in the three phases. A measuring system has been implemented in our final solution to measure the effective lever of the yarn with respect to the motor axis. In doing so, it is possible to control the force in the yarn. This measuring system is the only source of friction in our novel carrier.

The novel active carrier uses a Li-Po battery and is controlled by WiFi thanks to an on-board computer Raspberry Pi Zero W. The communication protocol MQTT is used by the operator to send commands from its working station. The infrastructure of the developed control program allows the operator to control multiple carriers simultaneously and to receive data from each one of them. This novel design allows new manufacturing processes in the braiding industry for multiple reasons. It is now possible to control the tensioning force in the yarn in real-time, the force being extremely constant during the unwinding, thus reducing the premature wear of the yarn. It is also possible to get data and build a database for analysis and optimisation of the manufacturing process. Overall, this novel carrier allows for a better control of the braiding parameters, which in turn result in parts with better mechanical properties. The main objectives of the project are the characterisation of the traditional carriers, the design of the novel active carrier and the characterisation of the novel carrier.

The third research objective is to characterize the novel active carrier with the same parameters as the traditional carriers. The standard deviation in the tensioning force varies between 0.06 N and 0.12 N, which is a reduction of up to four times lower compared to the traditional carriers. The standard deviation is not influenced by the fiber material nor by the unwinding speed, unlike the traditional carriers. The active carrier is able to change it’s torque in real time and thus exert a tension in the yarns between 0 N and 3.5 N. The active carrier is also capable of rewinding the yarn to maintain it under tension. The main issue of this novel design is the heat generated by the motor after long periods of time and the lower-than-expected computation power of the on-board computer.

The novel carrier opens the door for a new research fields. Each carrier can save data throughout the manufacturing process and this data can be used to optimize parameters and to detect imperfections in the parts. It will now be possible to use all this data to optimize the manufacturing process to obtain parts with better desired mechanical properties. The novel carrier allows the braiding process to make the jump to the industry 4.0, the industry of data.