La maitrise de l'histoire thermique lors de la En particulier, son comportement en réflexion est dépose automatisée de bandes composites à matrice analysé en fonction de la direction des fibres et de thermoplastique est incontournable pour prédire la l'angle d'incidence. D'autre part, un dispositif qualité des pièces produites. La mesure directe de expérimental est développé pour caractériser les température étant difficile dans la configuration du transferts thermiques lors du chauffage d'un pli par procédé, elle est généralement estimée par des une diode laser. Une métrologie spécifique est méthodes numériques. Du fait de la faible épaisseur déployée pour permettre la mesure de la température des plis, de leur anisotropie, mais aussi de l'utilisation de surface et du flux transmis sur des temps courts croissante de diodes laser infrarouge comme source (25 ms). On montre qu'il est nécessaire de considérer de chauffage, la définition réaliste des conditions à la la microstructure des plis afin de rendre compte des limite aux différentes interfaces reste un enjeu mécanismes d'absorption du flux laser en surface et important de la modélisation thermique. L'objectif de de transmission du flux thermique à l'interface avec ce travail est de mener une étude du comportement un outil métallique. L'étalement et la position de la thermique d'un pli dans les conditions de procédé. zone impactée dépendent alors de la dispersion des D'une part, les propriétés radiatives du matériau, fibres. nécessaires à l'établissement du bilan de l'interaction avec le laser, sont caractérisées par spectroscopie infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde et de température du procédé. / When manufacturing a composite part by Automated A special care is given to the surface reflective FLber Placement, a fine understanding of the laminate behavior, and its evolution with fibers orientation and thermal history throughout the process is required in beam incident angle. On the other hand, an order to predict its final performances. Yet, direct experimental device is developed for measuring heat temperature measurements on the placement head is transfers occurring in the ply when heated by an uneasy, and the evolution of thermal fields is often infrared laser diode. A specific metrology had to be obtained via numerical simulations. Due to the implemented for measuring surface temperature and thinness of the ply, its anisotropy, and the lay-up transmitted flux on short time ranges (25 ms). lt was motion, the various boundary conditions have to be shown that the ply microstructure must be taken into carefully set-up when modelling heat transfer in AFP. account to model the flux absorption on its top This works aims at analyzing heat transfer occurring surface, and the flux transmission at its interface with at a single ply scale during AFP process. On one the stainless steel mold. Both zones thickness hand, the radiative properties of the composite characterize the fiber dispersion inside the polymer material are characterized with infrared spectroscopy, matrix. in the process spectral and temperature range.

Ces dernières années, les robots manipulateurs ont été utilisés pour des tâches, telles que le polissage, le fraisage, le placement des fibres, entre autres, auparavant réalisées par des machines spécialisées. Cependant, l’utilisation des robots pour ces tâches en contact, présente des problèmes de précision. Ce contact provoque des flexibilités dans le robot, l’outil et l’environnement. Cette thèse cible l’amélioration de la précision de la tâche robotisée de dépose de fibres qui nécessite un compactage homogène selon le matériau et la surface. La précision du drapage peut être améliorée par la correction en ligne de la trajectoire du robot et du point de centrage dynamique de l’outil (DTCP). Cette thèse propose l’asservissement en position/force-pression en modifiant le TCP, pour commander le compactage selon la surface de contact et prend en compte les flexibilités dues au contact. La pression et les flexibilités sont calculées à partir d’un modèle mécanique numérique réduit grâce à des réseaux de neurones. Cet asservissement a besoin d’une sélection appropriée des correcteurs pour garantir un bon fonctionnement et pour travailler avec divers types de moules. La sélection est réalisée dynamiquement par logique floue. Le DTCP est calculé dynamiquement grâce aux flexibilités de l’outil et il est redéfini lors de l’exécution de la trajectoire du robot pendant le drapage. Un dispositif expérimental est mis en oeuvre en utilisant des éléments similaires aux cellules robotisées de placement des fibres. Une application logicielle intègre l’asservissement proposé dans la baie de commande. Cet asservissement permet d’améliorer la précision de dépose de fibres. / In the last years, the robots have been used in the tasks that were previously performed by specialized machines such as polishing, milling, drilling, fibers lay up, among others. However, the use of industrial robots for these contact tasks presents problems of precision. This contact causes flexibility in the robot, in the tool and in the environment. This thesis is aimed at improving the accuracy of the robotic fiber placement task. This task requires a homogeneous and adapted compaction according to the material and the surface. The lay-up precision can be improved by online robot trajectory correction and the dynamic tool center point (DTCP) definition. This thesis presents a position/force-pressure control by modifying the TCP, to control the compaction according to the contact surface and which takes into account the flexibility due to the compaction force. Pressure and flexibility are calculated from a mechanical numerical model reduced using neural networks. The force-pressure control needs a selection of corrector to ensure a good performance and to work with several types of molds. This dynamic correction selection is performed by a fuzzy logic approach. The DTCP has been calculated dynamically thanks to the tool flexibility and it is redefined when the robot’s trajectory is running during the draping. An experimental setup has been implemented using industrial elements similar to robotic fiber placement cells. A software application has been developed which integrates the control loop into the robot controller. This loop improves the accuracy of fiber placement.

L’intérêt croissant de l’industrie aéronautique pour les matériaux composites favorise le développement de procédés de mise en œuvre rapides et automatisés. Technologie approuvée pour la réalisation de stratifiés à matrice thermodurcissable, les cellules de placement de fibres de la société Coriolis Composites permettent la fabrication de pièces stratifiées aux formes et dimensions variées. Ne nécessitant pas de polymérisation longue et onéreuse en autoclave tout en répondant aux nouvelles règlementations environnementales et aux besoins thermomécaniques spécifiques, les composites thermoplastiques sont une issue aux nouveaux enjeux du monde du transport. Le procédé s’appuie sur la technologie des lasers à diodes générant les densités de puissance nécessaires à la fusion des matrices thermoplastiques. Les travaux présentés s’inscrivent à la croisée de ces trois technologies en fort devenir : procédé de placement de fibres, matrice thermoplastique et laser à diodes. Ils sont menés dans le cadre du projet IMPALA (Innovation Matériaux et Procédés avec plAcement de fibres LAser) labellisé FUI 11, et, ont pour objectif de modéliser le procédé par l’expérimentation et la simulation. Le matériau composite étudié dans le cadre de cette thèse est l’APC-2/AS4 de la société Cytec Engineering Materials, pré-imprégné constitué de fibres de carbone et d’une matrice thermoplastique PEEK. Trois modèles numériques sont développés : (i) une modélisation optique fondée sur un algorithme de lancer de rayons permettant de déterminer la distribution du rayonnement laser sur la matière, (ii) une modélisation thermique renvoyant les champs de température au sein du stratifié en cours de drapage et (iii) une modélisation rhéologique afin d’étudier la déformation de la matière et la qualité du soudage des différents plis. Le développement de ces modèles s’appuie sur une caractérisation du procédé notamment du faisceau laser permettant la chauffe synchrone des fibres acheminées et des plis précédemment déposés et du module de compactage constitué d’un rouleau souple épousant la surface de drapage. Des données matériaux telles que les indices de réfractions, l’émissivité ou la viscosité sont également déterminées par voie expérimentale ou homogénéisation. En parallèle, des campagnes de mesures par thermocouples et radiométrie sont réalisées pour mieux comprendre les phénomènes thermiques dans la zone de chauffe et au sein du stratifié. Les confrontations entre ces mesures et les prédictions numériques renvoyant de bonnes corrélations, le modèle optico- thermique peut alors être exploité afin d’établir l’influence de différents paramètres sur le procédé et de proposer de solutions d’asservissement entre la puissance du laser et la vitesse de drapage. Enfin, une étude par spectroscopie infrarouge permet d’étendre une cinétique de dégradation du matériau au cas transitoire adapté au procédé de placement de fibres. / Aeronautic industry demonstrates a growing interest in composite materials and development of quick and automated manufacturing processes. Automated Fiber Placement (AFP) process is a certified technology to achieve laminate structure with thermoset composites. Coriolis Composites Company develops robotic cells for fiber placement enabling the laying of continuous fibers in all directions and on complex geometrical surfaces. Thermoplastic (TP) matrix composites are currently a promising alternative for making structures for transport applications. They do not actually require long and expensive curing step in autoclave and would meet the sustainable requirements and expect thermo-mechanical behavior. AFP process bases on high power diode lasers required to melt the TP polymers. The presented work is located at the crossroads of three technologies with a bright future: AFP process, TP matrix composite and diode lasers. It have been carried out within the framework of the IMPALA project with the aim of modeling process by experiments and numerical simulations. APC-2/AS4 from Cytec Engineering Materials is the composite material of the study. It consists of a pre-impregnated composite with carbon fibers and TP PEEK matrix. Three models developed in this study are: (1) an optical model based on a raytracing algorithm to quantify the laser distribution on materials, (2) a thermal model to calculate the thermal field in laminate structure during layup, and (3) a rheological model in order to study the squeezing and bonding of plies. These models base on a characterization of the process, including the laser beam (that heats both fed tows and previous layed plies) and the compaction system (formed by a deformable roller that molds the lay-up surface). Material data like refractive index, emissivity or viscosity are determined by experiments or homogenization method. Experimental measurements are simultaneously realized with thermocouples and infrared cameras to understand thermal phenomena in heating zone and laminate. These measures correlate well with numeric predictions. The optical-thermal model is used to study the influence of process parameters and suggest loops between laser power and lay-up velocity. A FTIR spectroscopic study have finally improved in transient condition for thermal degradation.

Le procédé de placement de fibres automatisé (AFP) a démontré depuis longtemps ses nombreux atouts pour la fabrication de grandes structures de géométries complexes et variées en matériaux composites. Cependant, un des freins de ce procédé est lié aux singularités pouvant apparaitre lors de l’optimisation des trajectoires de drapage. Dans le cadre de ces travaux de recherche, il a été entrepris de déterminer l’influence de la présence de ces singularités tant au niveau de la microstructure que des propriétés mécaniques. Des singularités de nature et de géométrie différentes telles que des gaps et overlaps ont ainsi été introduites volontairement au sein de stratifiés en carbone – époxy drapées par le procédé de placement de fibres automatisé. Leur influence sur différentes configurations d’empilement a été mesurée grâce à la réalisation de nombreux essais mécaniques permettant de déterminer les propriétés dans le plan (traction, compression et cisaillement plan) et des propriétés hors axes (cisaillement interlaminaire, délaminage en mode 1 et en mode 2). Ces premiers essais réalisés à l’échelle d’éprouvette ont été étendus à l’échelle d’une plaque en composite sollicitée sous pression afin de se rapprocher d’un élément de structure. L’ensemble des résultats a mis en évidence un effet local des singularités qui peut être accentué ou non en fonction des conditions de mise en oeuvre. En effet, la présence d’une contre plaque lors de l’étape de cuisson en autoclave permet un mouvement de la matière qui, en fonction de ses propriétés intrinsèques, entraîne une cicatrisation complète ou partielle des singularités diminuant ainsi leur influence. La connaissance des limitations du procédé de placement de fibres automatisé peut permettre d’ouvrir de nouvelles perspectives d’avenir et de challenge dans la fabrication de structures composites. De nouvelles possibilités de drapage de matériaux biocomposites réalisés à partir de fibres de lin et de matières thermoplastiques sont ainsi envisagées à la fin de ces travaux. / Automated fibre placement (AFP) shows great potential for the manufacture of large complex composite structures. However, one of the factors limiting more widespread applications of this process is the appearance of singularities when lay-up trajectories are optimized. In this study the influence of geometrical singularities has been studied, both in terms of microstructure and mechanical properties. Different types of singularity, gaps and overlaps, have been deliberately introduced into carbon - epoxy laminates by AFP. Their influence has been evaluated by mechanical testing, both in-plane (tension, compression, shear), and out of plane (interlaminar shear, mode I and mode II delamination). A test has then been developed to simulate the response of a small structure, by transverse pressure loading of plates with and without singularities. Overall, the results show a local effect of these defects on the microstructure which can be accentuated by manufacturing conditions. The use of a caul plate allows local material movements which can result in healing of defects during autoclave cure. The understanding of the AFP process acquired here has enabled new possibilities for manufacturing to be developed. A preliminary study of flax fibre reinforced thermoplastic has been performed, which shows promise for the development of complex biocomposite structures.

En réponse à l'augmentation constante du prix du pétrole, le pourcentage des pièces de structure aéronautiques fabriquées en matériaux composites est en nette augmentation. Les procédés de dépose de composite (drapage de bandes et placement de fibres) permettent de fabriquer des pièces multicouches de grandes dimensions en disposant des bandes de composite de carbone pré-imprégné les unes à côté des autres. Ainsi, les travaux de recherche présentés dans ce mémoire contribuent à l'amélioration de la mise en oeuvre des procédés de fabrication de pièces aéronautiques en matériau composite. L'étude s'est focalisée sur l'augmentation de la productivité des procédés de dépose en considérant les problèmes de planification et de suivi de trajectoires de dépose des machines de dépose. Premièrement, la tâche de planification de trajectoires consiste à optimiser la direction des trajectoires de dépose de façon à minimiser le nombre de découpes de composite. Deuxièmement, la réduction des sollicitations cinématiques de la machine lors du suivi de trajectoires de dépose est basée sur un lissage des axes rotatifs associé à une méthode de résolution de la redondance de la machine-outil. Cette méthode conduit à une diminution du temps de dépose tout en assurant la qualité de la pièce finie. Les méthodes d'optimisation de trajectoires proposées ont été implémenées sur un logiciel de FAO de démonstration dédié aux procédés de dépose et validées sur des pièces industrielles. Ainsi l'ensemble du processus de programmation des machines de dépose a été étudié, de la génération de trajectoire à la simulation des mouvements de la machine

La réalisation par des procédés robotisés de pièces composites à destination, notamment, de l’aéronautique vise à en augmenter la productivité. Cependant le Placement de Fibres Robotisé (PFR) est encore en phase de maturation et requiert de nombreux développements, en particulier dans le cas des composites à matrice thermoplastique ou à fibre sèche. Dans cette thèse, nous proposons différents outils qui permettent in fine de déterminer à l’avance la meilleure puissance de chauffe pour la mise en œuvre de ces composites. La difficulté réside dans le fait que cette puissance dépend de nombreux paramètres, non seulement au niveau de la matière utilisée (densité, chaleur spécifique. . .), mais encore au niveau du procédé lui-même (vitesse de déplacement, nombre et orientation des plis. . .). Nous avons construit un modèle réduit multi-paramétrique en utilisant la technique appelée Proper Generalised Decomposition (PGD). Les résultats ont été confrontés à ceux obtenus par des méthodes plus conventionnelles et aussi à des données expérimentales. / Realising composite parts mainly dedicated to aeronautics sector by robotised processes tends to increase productivity. However, Automated Tape Placement (ATP) is still in ripening stage and requires various developments, particularly in case of thermoplastic composites or dry fibres. In this manuscript, we propose different tools allowing to determine in advance the best heating power to drape composite fibres. Difficulty arises from dependence on many parameters, from material (density, specific heat) or from process itself (velocity, number and orientation of plies). Therefore we construct a multi-parametric reduced order model using the so called Proper Generalised Decomposition (PGD). Results have been faced to those obtained from more conventional methods but also to experimental data.