The manufacturing of polymeric composite materials is nowadays more and more common in the aerospace, automotive and sports industries. The main reason for the use of these materials is its strength to weight ratio advantages, but beyond that, is that they can be engineered to meet specific requirements by choosing the proper polymer resin and reinforcement.

But choosing the right materials is just the initial step in the design of composite structures since the manufacturing process is a major engineering challenge. Optimum processing parameters generate a composite structure with excellent mechanical properties and good dimensional tolerance. At the same time, the process must use a minimum of energy and processing time. On the other hand, an inadequate set of process parameters may result in a part with bad surface finish, geometric distortions, lower mechanical properties and long production time.

To improve the manufactured part, the process engineer requires detailed data about the evolution of the material inside the mold. This characterization requires of multiple laboratory characterization devices. Also, the traditional characterization methodology is time consuming and the experiments setup are difficult to reproduce. Moreover, the sample size changes from one device to the other. In general, traditional laboratory equipment cannot characterize composite materials, a representative sample of this material type is just too big and surpasses the capabilities of the traditional characterization devices. Researchers have made several attempts to produce a better characterization strategy. However, to achieve a fully functional device, several technological challenges need to be resolved. The main objective of this PhD project is to find those challenges and find strategies that will allow the integration of multiple characterization laboratory equipment into a single device.

To achieve this objective, we study the proposed characterization devices in the literature and abstract those devices limitations. To support our findings, we use a laboratory scale machine capable of reproducing the conditions of regular manufacture cycles. We experience by ourselves the challenges in the manufacturing of polymer matrix composite material. All the collected information allowed us to find the desired device requirements.

This thesis developed an integrated mechatronic design methodology to abstract the manufacture challenges into product requirements. The proposed methodology allowed us to understand the relationship between the different design requirements. Additionally, the integrated strategies permit to describe the device functional requirements with simplified functional diagrams. The interactions found in the diagrams make possible to group the functional blocks into modules. The integrated mechatronic methodology provides the tools to achieve a proactive design strategy. As the project evolves, the multiple design iterations refine the final product.

The implementation of the proposed methodology allowed us to find the technological challenges required to characterize the properties of a polymer composite material using a single experiment. In this respect, we discuss the critical parts of the desired mechatronic device, the product limitations and the innovations required to achieve this objective.

The mechatronic characterization device proposed in this work can change the way the composites are produced. Having a machine capable of obtaining multiple composite material's characteristics in a single experiment will give researchers the information to produce better material models, improving molds, process simulations and optimal manufacturing parameters.

La fabrication de matériaux composites à la base de polymères est de plus en plus importante dans les industries aérospatiale, automobile et du sport. La principale raison de l’utilisation de ces types de matériaux est la proportion poids / résistance, mais ils peuvent également être conçus pour répondre à des exigences spécifiques en choisissant la résine polymère et le renforcement appropriés.

Mais le choix des bons matériaux ne constitue que la première étape de la conception de structures composites, car le processus de fabrication est un défi technique majeur. Les paramètres de traitement optimal génèrent une structure composite dotée d'excellentes propriétés mécaniques et d'une bonne tolérance dimensionnelle. En même temps, le processus doit utiliser un minimum d'énergie et de temps de traitement. D'autre part, un ensemble inadéquat de paramètres du processus peut entraîner une pièce présentant un mauvais état de surface, des distorsions géométriques, des propriétés mécaniques insuffisantes et un temps de production prolongé.

Pour améliorer la pièce fabriquée, l’ingénieur a besoin des données détaillées sur l’évolution du matériau dans le moule. La caractérisation nécessite plusieurs dispositifs dans un laboratoire standard. La méthodologie de caractérisation traditionnelle prend du temps et la configuration des expériences est difficile à reproduire. De plus, la taille de l'échantillon change d'un appareil à l'autre. En général, les équipements de laboratoire traditionnels ne peuvent pas caractériser les matériaux composites. Un échantillon représentatif de ce type de matériaux est simplement trop grand et dépasse les capacités de ces dispositifs. Les chercheurs ont tenté à plusieurs reprises de produire une meilleure stratégie de caractérisation. Cependant, pour obtenir un appareil entièrement fonctionnel, plusieurs défis technologiques doivent être résolus. L'objectif principal de ce projet de thèse est de relever ces défis et de trouver des stratégies qui permettront l'intégration de plusieurs équipements de laboratoire de caractérisation dans un seul appareil.

Pour atteindre cet objectif, nous étudions les dispositifs de caractérisation proposés dans la littérature et nous en résumons les limites. Pour étayer nos conclusions, nous utilisons une machine de laboratoire capable de reproduire les conditions des cycles de fabrication standards. Nous faisons nous-mêmes l'expérience des défis liés à la fabrication d'un matériau composite. Toutes les informations collectées nous ont permis de trouver les exigences de périphérique souhaitées.

Dans cette thèse, une méthodologie de conception mécatronique intégrée pour identifier et résumer les défis de fabrication dans les exigences des produits a été développée. La méthodologie proposée nous a permis de comprendre la relation entre les différentes exigences de conception. De plus, les stratégies intégrées permettent de décrire les exigences fonctionnelles de l'appareil à l'aide de schémas fonctionnels simplifiés. Les interactions trouvées dans les schémas permettent de regrouper les blocs fonctionnels en modules. La méthodologie mécatronique intégrée fournit les outils nécessaires pour réaliser une stratégie de conception proactive. Au fur et à mesure que le projet évolue, les multiples itérations de conception améliorent le produit final.

La mise en œuvre de la méthodologie proposée ici nous a permis de trouver les défis technologiques nécessaires pour caractériser les propriétés d'un matériau composite polymère à l'aide d'une seule expérience. À cet égard, nous discutons des éléments critiques du dispositif mécatronique souhaité, des limites du produit et des innovations requises pour atteindre cet objectif.

Le dispositif de caractérisation mécatronique proposée ici peut changer la manière dont les composites sont produits. Le fait de disposer d’une machine capable d’obtenir plusieurs matériaux composites en une seule expérience donnera aux chercheurs les informations nécessaires pour produire de meilleurs modèles de matériaux, améliorer les moules, simuler les processus et d’optimiser les paramètres de fabrication.