Enjeu majeur pour une filière qui s’est longtemps reposée sur des procédés essentiellement manuels, l’automatisation accompagne la montée en cadence de la production de pièces en composites. Dans l’automobile et l’aéronautique, les équipementiers déploient des îlots robotisés. Très spécifiques, les robots AFP (automated fiber placement) sont mis au point pour le placement de fibres. Cette étape réalisée en début de chaîne consiste à déposer sur une surface des couches de fines bandes de préimprégnés (un renfort fibreux enduit de résine ou de fibres sèches) pour produire des préformes. Les propriétés mécaniques de la pièce en matériaux composites dépendent de la disposition des fibres. « C’est une opération très délicate, car le moindre défaut de placement peut créer des fragilités dans la pièce finale, explique Yannick Amossé, le responsable de l’équipe Procédés, matériaux, composites à l’IRT Jules Verne. Les fibres ne doivent pas se superposer, et le jeu entre les bandes doit être minime. La précision de dépose est essentielle. »
Parvenir à une précision de deux dixièmes de millimètres
Une tâche sur mesure pour les robots, donc ? Pas si sûr. Elle nécessite en effet d’effectuer de nombreuses adaptations sur les robots polyarticulés traditionnels pour pouvoir les utiliser dans ces applications. « Les bras robots ne sont au départ pas assez précis pour atteindre les spécifications voulues dans le secteur aéronautique », constate Damien Poyard, le responsable de la division machines de haute précision chez Fives. Si les robots sont très efficaces dans les tâches de manipulation, où ce sont les points de prise et de dépose qui comptent, ils ne sont pas conçus pour suivre des trajectoires avec précision, soulignent la plupart des intégrateurs de solutions AFP. « Lorsque l’on demande à un robot traditionnel de suivre une ligne, il affiche généralement une précision de huit dixièmes de millimètres, alors que le cahier des charges de l’aéronautique impose deux dixièmes de millimètres. Nous devons rendre le robot quatrefois plus précis», explique Damien Poyard.
Même constat chez Coriolis. Cette pépite française, qui travaille surtout avec des structures de bras 6 axes Kuka, modifie la motorisation du robot et y ajoute une commande numérique Siemens. « Nous faisons de la robotique de process. La conception de nos robots se rapproche de celle d’une machine-outil, indique l’ingénieur Maël Farinas. Nous concevons également une couche logicielle qui permet de calculer au plus près les trajectoires en fonction de la rigidité du robot. »
Corriger les trajectoires
La rigidité constitue un critère essentiel dans la précision du procédé de dépose, car l’effecteur installé au bout du bras – qui embarque des outils de dépose, de coupe et de compression de la préforme, sans compter les bobines de bandelettes de préimprégnés – pèse entre 50 et 100 kg. « Plus le bras se déploie loin du corps pour déposer les fibres, plus le poids de la tête crée un porte-à-faux. Cela engendre des déformations de l’ensemble et modifie la trajectoire de dépose, souligne Maël Farinas. La rigidité du robot est alors importante, pour éviter cette variation. Mais ce que nous gagnons en rigidité, nous le perdons en dynamisme et en rapidité de dépose. Il y a un équilibre à trouver.» Afin de corriger la trajectoire en cours de dépose, Coriolis procède au calibrage du robot. Le bras doté de son effecteur est positionné à divers endroits de l’espace de travail. Les déviations sont répertoriées et intégrées dans le logiciel de pilotage. En fonction de ces paramètres, le robot peut alors modifier de lui-même sa trajectoire. « C’est une opération que nous devons effectuer à chaque mise en place. Deuxrobots, même s’ils sont de marque et de modèle identiques, ne possèdent pas la même rigidité », précise Maël Farinas.
Réduire les temps de dépose
Aujourd’hui, les solutions AFP ont une vitesse de dépose de 1 m par seconde, sans nuire à la précision de l’opération. Coriolis estime pouvoir atteindre 1,2 m par seconde. De son côté, Fives cherche à obtenir des temps de dépose « deux fois plus courts ». Un objectif dont la principale limite réside dans la rapidité du système d’acheminement de la fibre et dans l’outil de coupe, qui ne doit pas endommager les fibres, même à très haute vitesse.
Les intégrateurs d’AFP travaillent également à la mise en œuvre « hors moule » de préimprégnés thermoplastiques. Pour parvenir à mettre en œuvre le matériau lors de la dépose, une source de chaleur est installée sur l’effecteur. « Il s’agit le plus souvent d’une source laser qui vient ramollir le thermoplastique localement. Un rouleau le comprime sur la forme. Un système de refroidissement permet de baisser la température pour durcir la pièce, explique Yannick Amossé. La gestion de la température est ici essentielle, notamment pour les thermoplastiques les plus techniques qui nécessitent d’être chauffés à 400 °C. » Un procédé prometteur pour une mise en œuvre du composite en une seule étape avec, à la clé, une réduction supplémentaire des temps de cycle.
L’impression 3D des composites voit grand
Du placement de fibres à l’impression 3D de composites, il n’y a qu’un pas… que certains ont d’ores et déjà franchi. Dans le cadre du projet Lascala (Large scale plastics & composites 3D printing), l’IMT Lille Douai a construit un démonstrateur pour montrer la pertinence de la dépose couche à couche de matériaux composites thermoplastiques pour la production de pièces de grandes dimensions. Il s’agit d’un robot 6 axes monté sur un rail de translation de 5 mètres. La tête de dépose comporte deux unités d’extrusion à vis courte, reliées à un système de placement de fibres. Elle permet d’inclure la fibre dans un thermoplastique de « cœur » et d’avoir par-dessus un plastique de « peau ». Au lieu d’un filament, comme dans l’impression 3D traditionnelle, c’est une bande qui est extrudée. Cela permet d’obtenir une meilleure adhérence. Le démonstrateur est capable de produire des pièces composites thermoplastiques de 5 x 2 x 1 m.
