Optimisation des procédés d usinage des composites fibres de carbone/époxy et des empilements de matériaux (CRIAQ MANU413)

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1 Optimisation des procédés d usinage des composites fibres de carbone/époxy et des empilements de matériaux (CRIAQ MANU413) Étude de cas Usinage robotisé des composites en collaboration avec le CTA Jean-François Chatelain (ÉTS) Serge St-Martin (CTA) 1

2 1. Introduction Les composites fibres de carbone / résine époxyde sont largement utilisés dans l industrie aérospatiale Ratio résistance mécanique / masse très avantageux comparativement aux matériaux métalliques Les pièces sont fabriquées très près de leur forme finale. Il reste seulement des opérations d usinage (perçage, découpage, fraisage) requises pour l assemblage final 21% 1% 8% 24% 46% Composites avancés Aluminium Lithium Matériaux standards Titane Acier Ces matériaux sont parfois assemblés simultanément en pile avec des matériaux métalliques tels l aluminium ou le titane. 2

3 1. Introduction (suite) Ces matériaux sont cependant très difficiles à usiner: les fibres de carbone sont très résistantes et abrasives alors que l époxy qui unit les fibres ne résiste pas aux températures élevées. Problèmes rencontrés: Usure rapide des outils de coupe (coût élevé) Chaleur générée durant la coupe causant un endommagement de la résine époxyde École de Technologie Supérieure (Universié du Québec) 3

4 1. Introduction (suite) Problèmes de qualité sous forme de : délaminage, arrachements de fibres, fibres non coupées 4

5 2. Objectifs du projet CRIAQ Trouver des conditions de coupe optimales pour l usinage de stratifiés composites carbone/époxy (CFRP) en respectant les critères de qualité; dimension et géométrie, fini de surface et intégrité du matériau Perçage d empilements CFRP / Titane Découpage / détourage de CFRP Usinage de surfaces de CFRP Surfaçage multiaxe de plaques en graphite/époxy 5

6 2. Objectifs du projet CRIAQ (suite) École de Technologie Supérieure (Universié du Québec) Proposer de nouvelles géométries et des revêtements performants pour les outils Développer des modèles permettant la prédiction des forces de coupe et de la qualité en fonction des conditions de coupe. Prédire le coût d opération basé sur le type d outil et les paramètres de coupe Comparer la performance du détourage effectué avec machine-outil de celle réalisée par un robot usineur Sujet de l étude de cas présentée 6

7 3. Équipe de recherche Partenaires industriels Bombardier Aérospatiale Chef industriel Avior Integrated products Fabrication de pièces et sous-assemblages composites et métalliques AV&R Aérospatial Développement et intégration de procédés de fabrication robotisée Delastek Fabrication de pièces et sous-assemblages composites et métalliques, fabrication de composantes électroniques et intégration de produits 7

8 Partenaires académiques / centre de recherche École de technologie supérieure Prof. Jean-François Chatelain Chef de projet Usinage avancé, métrologie Prof. Victor Songméné Usinage avancé Prof. Martin Viens Essais non-destructifs École de Technologie Supérieure (Universié du Québec) École polytechnique de Montréal Prof. Marek Balazinski Usinage de matériaux difficiles Prof. Ludvik Martinu J. K. Sapieha, Chercheure Génie des surfaces / revêtements Université du Québec à Trois-Rivières Prof. Gilbert Lebrun Matériaux composites, analyse de contraintes Centre technologique en aérospatiale Serge St-Martin, agent de recherche Usinage robotisé, usinage multiaxe 8

9 4. Étude de cas collaboration ÉTS - CTA Détourage robotisé des stratifiés CFRP A. Contexte B. Paramètres à déterminer C. Données extraites et analysées D. Résultats E. Suites 9

10 A. Contexte Les machines-outils à commande numérique Robustes Très précises Volume de travail / orientation de broche restreints Dispendieuses Les robots industriels Moins robustes Peu précis Très répétitifs Très flexibles en orientation Abordables 10

11 A. Contexte Exemple de machine-outil à commande numérique 11

12 A. Contexte Exemple de pièce dans la machine-outil 12

13 A. Contexte Exemple d opération robotique adaptée à la fabrication d un fuselage 13

14 B. Paramètres à déterminer Types d outil (géométrie, composition, revêtements) Paramètres de coupe (vitesse de révolution et d avance) Pose du robot 14

15 B. Paramètres à déterminer Type d outil (géométrie, composition, revêtements) Paramètres de coupe (vitesse de révolution et d avance) Pose du robot 15

16 Pose #01 - Rapprochée 16

17 Pose #02 - Éloignée 17

18 C. Données à extraire et analyser Forces de coupe Qualité de la coupe (délaminage : arrachement, effilochage) Forme de la trajectoire Intégrité de la matrice (thermographie) 18

19 C. Données à extraire et analyser Forces de coupe 19

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21 C. Données à extraire et analyser Qualité de la coupe (arrachement, effilochage) 21

22 C. Données à extraire et analyser Forme de la trajectoire 22

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24 D. Résultats Le délaminage des plaques de carbone époxy peut être réduit en ajustant judicieux des paramètres de coupe (vitesse de révolution et d avance de la broche d usinage) en fonction de la dynamique spécifique du robot Les essais réalisés nous permettent d obtenir la rugosité de surface souhaitée Les trajectoires réalisées, lorsque l outil de coupe est pleinement engagé dans le matériau, sont acceptables Les entrées et sorties de l outil de coupe dans le matériau sont à travailler 24

25 E. Suites Programme de recherche en usinage multiaxe automatisé (CRSNG - 5 ans) Développement d applications en usinage de composite Caractérisation de la précision de robot Compensation statique et dynamique des trajectoires de robot Projet PART (MÉLS 12 mois) Développement d une nouvelle stratégie d usinage de géométries complexes pour la fabrication de moules en matériaux composites de haute performance Suite au MANU-413 (année sabbatique du prof. Chatelain) Poursuite de la collaboration au niveau de l usinage robotisé 25

26 5. Retombées de la collaboration université collège Formation de la main d oeuvre hautement qualifiée: 5 étudiants de maîtrise (stages / programme MITACS) 1 étudiant de Post-doctorat ( stage / MITACS) 3 étudiants en techniques de construction aéronautique (stages / ÉNA) Complémentarité dans les ressources permettant l avancement efficace des travaux des étudiants chercheurs Résultats exploitables par l industrie et ayant permis la production et la publication de 8 articles scientifiques Consolidation des liens entre les intervenants permettant la participation et le montage d autres projets en usinage des matériaux utilisés en aérospatiale. 26

27 Merci! 27