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 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.