The present research aims to develop a novel technique for creation of composite riot helmet shells with reinforcing fibre continuity for better protection against low velocity impacts. In this research an innovative, simple and effective method of making a single-piece continuously textile reinforced helmet shell by vacuum bagging has been established and discussed. This technique also includes the development of solid collapsible moulding apparatus from non-woven fibres. Angle-interlock fabric due to its good mouldability, low shear rigidity and ease of production is used in this research. Several wrinkle-free single- piece composite helmet shells have been manufactured. Low-velocity impact test on the continuously reinforced helmet shells has been carried out. For this purpose an in-house helmet shell testing facility has been developed. Test rig has been designed in such a way that the impact test can be carried out at different locations at the riot helmet shell. Low-velocity impact test has been successfully conducted on the developed test rig. The practical experimentation and analysis revealed that the helmet shell performance against impact is dependent on the impact location. The helmet shell top surface has better impact protection as compared to helmet shell side and back location. Moreover, the helmet shell side is the most at risk location for the wearer. Finite Element models were created and simulated in Abaqus software to investigate the impact performance of single-piece helmet shells at different impact locations. Models parts have been designed in Rhinoceros software. Simulated results are validated by the experimental result which shows that the helmet top position is the safest position against an impact when it is compared to helmet back and helmet side positions.

Cette étude présente le développement d'une méthode expérimentale et numérique de caractérisation du comportement d'un matériau composite à renforts tissés, depuis l'échelle microscopique jusqu'au niveau macroscopique, en augmentant progressivement la complexité des géométries et des cas de chargement. Un nouveau modèle matériau numérique a été développé sous la forme d'un UMAT pour le logiciel éléments finis LS-DYNA. Ce modèle est capable de prédire un comportement linéaire ou non-linéaire, la déformation plastique, la rupture et l'endommagement progressif du matériau après rupture, tout en respectant les différentes restrictions imposées par le domaine industriel. Une formulation non-locale a été implémentée afin d'éviter les phénomènes indésirables de localisation de l'endommagement et d'offrir l'indépendance du modèle à la finesse du maillage. La première étape du processus de validation est la simulation des essais quasi-statiques sur des échantillons, ce qui permet de définir les paramètres numériques fondamentaux correspondant aux propriétés mécaniques et au comportement macroscopique du matériau étudié. Ensuite, les simulations d'impact assurent l'étude des modèles de dégradation. Une bonne corrélation a été obtenue pour les différents cas de chargement. / This study presents the development of an experimental and numerical material characterization method relying on the investigation of the material behavior of woven composites, from the microscopic scale up to the macroscopic level by increasing progressively the complexity of the geometries and load cases. Taking into account the different limitations imposed by the industrial and engineering fields, a new numerical mesh-insensitive material model has been developed as a UMAT for the explicit finite elements solver LS-DYNA. This model accounts for nonlinearity, plasticity, failure and post-failure damage in order to predict the macroscopic behavior and the damage tolerance of woven laminated composites. It includes also a smeared formulation to avoid undesirable localization phenomena. The first step of the validation process relies on the simulation of quasi-static coupon tests, which allows to set the fundamental numerical parameters corresponding to the effective material properties and to the macroscopic behavior observed experimentally. Then, the post-failure material degradation models have been investigated using the simulations of impact tests on elementary plates and on representative parts. A satisfying agreement has been obtained for the different load cases.

Avec l’avènement des NEMS, MEMS, films minces et autres revêtements, la caractérisation des propriétés mécaniques à uneéchelle locale est primordiale. A cet effet, l’essai d’indentation instrumentée permet l’acquisition continue de la réponse (courbeforce – profondeur de pénétration) d’un matériau à la pénétration d’un indenteur de géométrie donnée. Le post-traitement d’unetelle courbe permet la détermination de propriétés telles que le module d’indentation ou la dureté. Cette analyse est basée surla théorie du contact élastique, qui suppose une géométrie axisymétrique parfaite de la pointe d’indentation, un comportementpurement élastique du matériau, et la non-prise en compte des déplacements radiaux dans la zone de contact. En pratique, ceshypothèses sont souvent mises en défaut : les indenteurs sont généralement des pyramides à 3 pans (Berkovich, Cube Corner)ou 4 pans (Vickers, Knoop) présentant un émoussement de la pointe, et le comportement mécanique des matériaux est souventcomplexe. La correction de la relation de Sneddon, utilisée dans la méthode d’Oliver et Pharr pour l’analyse des essais denanoindentation, est donc nécessaire. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la détermination de ce facteurde correction, qui n’est pas une valeur universelle ni unique comme le préconisent certains auteurs. Il dépend notamment de lapression exercée par la pointe d’indentation et du matériau sollicité. Cette étude s’est faite sur la base de la détermination de laloi de comportement d’un des matériaux standards utilisés pour la calibration de l’essai de nanoindentation, la silice fondue.Ce matériau présente un comportement mécanique spécifique : sa déformation anélastique s’effectue par un mécanisme dedensification. Dans un premier temps, les paramètres de cette loi de comportement sont identifiés par une approche inversecombinant la simulation numérique 3D de l’essai d’indentation à l’optimisation de la fonction objectif au moyen d’unalgorithme génétique. Le facteur de correction est ensuite déterminé pour deux géométries de pointes et à différentes valeursdu rapport adimensionnel "profondeur de pénétration/rayon de pointe". La méthodologie proposée a été appliquée à ladétermination du module d’indentation d’un acier inox. / With the advent of NEMS, MEMS, thin films and other coatings, the characterization of local mechanical properties is achallenge. For this purpose, the instrumented indentation test allows for the continuous acquisition of the response (loadpenetration depth) of the material using an indenter of given geometry. The post-processing of such a curve allows thedetermination of the indentation modulus or the hardness of that material. This analysis relies on the elastic contact theory,which assumes an axisymmetric and perfect indenter, a purely elastic behaviour, and no radial displacements in the contactarea. In practice, those assumptions are defeated: indenters shapes are rather three-sided (Berkovich, Cube Corner) or foursided (Vickers, Knoop) pyramids, with blunted tips. Furthermore, mechanical behaviour is rather complex. The introductionof a correction factor in the Sneddon’s relationship, on which is based the Oliver and Pharr method for the analysis ofnanoindentation data is then necessary. Whithin the scope of this work, we aimed at determining this correction factor, whichhas not a unique nor a universal value, as recommended by some authors. It depends on the pressure distribution beneath theindenter and on the tested material. This study is based on the identification of the constitutive law of one of the referencespecimen used for calibration of the nanoindentation test, namely fused silica. The latter exhibits a specific mechanicalbehaviour, its anelastic deformation being achieved by a densification mechanism. In a first step we have determined the modelparameters by an inverse approach combining the 3D numerical simulation of the indentation test with the optimization of theobjective function using a genetic algorithm. The correction factor is then determined for two tip geometries and at severalpenetration depth over tip radius adimensional ratios. The proposed methodology was applied to the determination of theindentation modulus of an inox steel.

Die Analyse des Standes der Technik zu Simulationsmethoden im Werkzeugentwicklungsprozess zeigt die breiten Bestrebungen ganzheitliche Modelle zur Abbildung der Maschinen- und Werkzeugeigenschaften in der Prozesssimulation zu schaffen um die Werkzeuginbetriebnahme in Zukunft in die virtuelle Welt überführen zu können. Dabei werden die Einflüsse wie die Stößelkippung unter Last, die Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten, die Verformung des Ziehkissens und die elastische Nachgiebigkeit der Werkzeuge separat betrachtet. Es konnte kein Simulationsmodell identifiziert werden, welche alle relevanten Eigenschaften der Werkzeuge und der Maschinen zu einem Gesamtmodell vereint. Zudem fehlten Modellierungsansätze für wesentliche Teilaspekte einer ganzheitlichen Abbildung der Wechselwirkungen von Maschine, Werkzeug und Prozess. Insbesondere ist dabei die systematische Untersuchung zur Abbildung des Pinolentragbildes sowohl örtlich als auch über dem Pressenhub und der versteifende Einfluss der Werkzeugführung zu nennen. Mit der vorliegenden Arbeit konnte ein ganzheitliches FE-Prozessmodell mit den wesentlichen elastischen Eigenschaften der Maschine und der Werkzeuge erstellt werden. Wichtig ist dabei insbesondere die systematische Abbildung relevanter mechanischer Ziehkissenstrukturen als Ersatzmodell und die Integration der tatsächlichen Ziehkissenkraft im Prozessmodell. Bekannte Modellierungsansätze wie z.B. die Abbildung der Kippsteifigkeit des Stößelsystems und die Berücksichtigung der Durchbiegung der Werkzeugaufspannplatten wurden weiterentwickelt und in das Gesamtmodell implementiert. Für jedes Ersatzmodell wurde eine Strategie zur Modellerstellung und zur zweckmäßigen Parametrierung mit dem Ziel eines minimalen Zeit- und Kostenaufwandes vorgeschlagen. Die elastische Modellierung der Werkzeuge wurde mit einer systematischen Vorgehensweise hinterlegt und zeigt bei konsequenter Anwendung signifikant reduzierte Berechnungszeiten. Die Berücksichtigung der Ziehstäbe erfolgt in dieser Arbeit aufgrund der Einschränkungen des verwendeten FE-Solvers als Strukturmodell. Zusätzlich wurde ein Modellierungsansatz vorgestellt, welcher die analytische Berücksichtigung der Ziehstäbe auf elastischen Werkzeugstrukturen ermöglicht. Damit steht jetzt ein Prozessmodell mit den relevanten Maschinen- und Werkzeugeigenschaften zur Verfügung, welches durch eine einfache Parametrierung auf die jeweilige Prozess-Maschinen-Konfiguration angepasst werden kann. Dies ermöglicht eine deutlich genauere Abbildung des Pinolentragbildes, der daraus resultierenden Niederhalterdruckverteilung und damit des Materialeinzuges in die Matrize. Dieses erweiterte Prozessmodell ist damit in der Lage eine virtuelle Inbetriebnahme der Werkzeuge zu unterstützen und in Zukunft eine weitere Verkürzung des Inbetriebnahmeprozesses zu ermöglichen.:I. Inhaltsverzeichnis I II. Formelzeichen und Abkürzungen V II.1. Formelzeichen V II.2. Abkürzungen VI 1 Einführung 2 2 Stand der Technik 4 2.1 Modellierung des Blechwerkstoffes 6 2.1.1 Strukturelle und funktionale Abbildung 6 2.1.2 Ermittlung der Parameterwerte 9 2.2 Reibungsverhältnisse in der Kontaktfuge 10 2.2.1 Strukturelle und funktionale Abbildung 11 2.2.2 Ermittlung der Parameterwerte 11 2.3 Karosserieziehwerkzeuge 12 2.3.1 Prinzip und Bedeutung für den Umformprozess 12 2.3.2 Wechselwirkungen im Gesamtsystem Presse-Werkzeug-Prozess 15 2.3.3 Strukturelle und funktionale Abbildung in der FE-Prozesssimulation 16 2.3.4 Ermittlung der Parameterwerte 18 2.4 Pressen der Blechumformung 18 2.4.1 Prinzip und Bedeutung für den Umformprozess 18 2.4.2 Wechselwirkungen im Gesamtsystem Presse-Werkzeug-Prozess 22 2.4.3 Strukturelle und funktionale Abbildung der Maschine in der Prozesssimulation 26 2.4.4 Ermittlung von Pressenparameter 30 2.5 Werkzeugentwicklung und -inbetriebnahme 33 2.5.1 Werkzeuginbetriebnahme 34 2.5.2 Simulationsmethoden zur Unterstützung der Werkzeugeinarbeitung 35 2.6 Defizite in der FE-Prozesssimulation des Karosserieziehprozesses 36 3 Zielstellung, Abgrenzung und Vorgehensweise 38 4 Modellerweiterung Werkzeug 40 4.1 Simulationsumgebung 40 4.2 Virtuelles Testwerkzeug 40 4.3 Elastische Werkzeugstruktur 43 4.4 Werkzeuganbindung an umliegende Strukturen 48 4.4.1 Matrize und Stempel 48 4.4.2 Niederhalter 48 4.4.3 Abbildung der Ziehstäbe auf elastisch modellierten Werkzeugen 50 4.5 Die Werkzeugführung 54 4.5.1 Analytische Berechnung der Wirkung der Werkzeugführung 54 4.5.2 Messtechnische Berücksichtigung 56 4.5.3 Bewertung der Modellierungsansätze 56 4.6 Zwischenfazit zur Modellerweiterung der Werkzeuge 58 5 Modellerweiterung Maschine 60 5.1 Messung der Stößel- und Tischdurchbiegung 60 5.2 Ersatzmodellierung und Parametrierung 61 5.3 Überlagerung von Stößelkippung und -durchbiegung 64 5.4 Berücksichtigung der Tischdurchbiegung 67 5.5 Modellstrukturen zur Berücksichtigung der ZK-Mechanik 67 5.6 Kippelastischer Modellierungsansatz 70 5.6.1 1-Punktziehkissen mit Führung 70 5.6.2 2- und 4-Punktziehkissen 72 5.6.3 Ziehkissen mit mehr als 4 Druckpunkten 73 5.7 Elastische Abbildung des Druckkastens 74 5.7.1 Strukturmodell des Druckkastens 74 5.7.2 Ersatzmodell des Druckkastens 76 5.8 Modellstrukturen zur Berücksichtigung der Krafterzeugung 78 5.8.1 Ziehkissenkraft als wegabhängige Größe 79 5.8.2 Ziehkissen-Istkraft als Verhaltensmodell 80 5.8.3 Integration eines reduzierten Anlagenmodells 80 5.9 Ableitung einer Standardparametrierung 84 5.10 Zwischenfazit zu Modellerweiterungen Presse 85 6 Anwendung der Modellerweiterungen auf Versuchsumgebung 88 6.1 Versuchsumgebung 88 6.1.1 Versuchsmaschine 88 6.1.2 Blechwerkstoffe 89 6.1.3 Versuchswerkzeug 91 6.1.4 Messwerterfassung 92 6.2 Modellierung des Blechwerkstoffes 95 6.3 Reibungsverhältnis zwischen Blech und Werkzeug 96 6.4 Modellerweiterungen Werkzeug 98 6.4.1 Modellerstellung 98 6.4.2 Einflussanalyse der elastischen Werkzeugeigenschaften 99 6.5 Modellerweiterung Maschine 100 6.5.1 Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften des Stößelsystems 100 6.5.2 Berücksichtigung der Ziehkissenmechanik 105 6.5.3 Validierung der erweiterten FE-Prozessmodelle 109 6.6 Modellbewertung anhand Grenzformänderungsdiagramme 112 6.7 Modellierung der Regelabweichungen der Ziehkissenzylinderkräfte 113 6.8 Anwendung der Standardparametrierung 116 7 Anwendungsbeispiele für die Werkzeugentwicklung 118 7.1 Werkzeugkonstruktion am Beispiel der Fertigungstoleranzen 118 7.2 Werkzeuginbetriebnahme 120 7.2.1 Ermittlung der Zylindersollkräfte auf Mehrpunktziehkissen 121 7.2.2 Virtuelles Tuschieren der Werkzeughälften 123 8 Zusammenfassung 126 9 Literatur 128 III. Anhang 136

Die Arbeit behandelt die zerstörungsfreie Eigenspannungsbestimmung in Silizium von 3D-integrierten Mikrosystemen am Beispiel Wolfram gefüllter TSVs. Dafür wurden die Verfahren der röntgenographischen Spannungsanalyse und der Raman-Spektroskopie genutzt. Interpretiert und verglichen wurden die Ergebnisse mit FE-Simulationen. Als Proben standen Querschliffe eines Doppelchip-Systems zur Verfügung, in denen der obere Chip Wolfram-TSVs enthielt. Beide Chips wurden mit dem Kupfer-Zinn-SLID-Verfahren gebondet. In Experimenten und Simulation konnte der Einfluss von Wolfram-TSVs auf die Netzebenendehnung im Silizium nachgewiesen werden. Die FE-Simulationen zeigen im Silizium Spannungen zwischen -20 und 150 MPa, wenn intrinsische Schichteigenspannungen des Wolframs vernachlässigt werden. Direkt am TSV entwickeln sich Spannungsgradienten von einigen 10 MPa pro Mikrometer. Für die röntgenographische Spannungsanalyse wurden Röntgenbeugungsmessungen am PETRA III-Ring des DESY durchgeführt. Dafür wurde der 2-Theta-Raum in Linienscans untersucht und Beugungsdiagramme aufgenommen. Die ermittelten Dehnungen liegen im Bereich von einigen 10E-5, was uniaxialen Spannungen zwischen 5 und 10MPa entspricht. Im Fall kleiner Gradienten werden die Verläufe der FE-Simulation zufriedenstellend bestätigt. Starke Spannungsgradienten, die sich in wenigen Mikrometern Abstand um das TSV entwickeln, konnten über eine Profilanalyse des Beugungspeaks bestimmt werden. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass lateral eng begrenzte Spannungsgradienten von 170 MPa pro µm in TSV-Nähe existieren. Verglichen wurden diese Ergebnisse mit Hilfe der Raman-Spektroskopie. Sowohl die Ergebnisse der Röntgenographischen Spannungsanalyse als auch die der Raman-Spektroskopie lassen darauf schließen, dass die Spannungsgradienten im Silizium in unmittelbarer Nähe zum TSV höher sind als von der FE-Simulation vorhergesagt. Des Weiteren wurde in der Arbeit eine universelle Röntgenbeugung- und Durchstrahlungssimulation XSIM entwickelt, die das Ray-Tracing-Modell nutzt und neben kinematischer und dynamischer Beugung auch optional Rayleigh- und Compton-Streuung berücksichtigt. / This thesis covers the non-destructive determination of residual stress inside Silicon of 3D-integrated micro systems using the example of Tungsten-filled TSVs by X-ray stress analysis and Raman spectroscopy. The results were interpreted and compared by FE-simulations. Double-die systems with Tungsten-TSVs at the top-die were prepared as cross-sections and used as specimens. Both dies were bonded by a Copper-Tin-SLID interconnect. The influence of Tungsten-TSVs on the lattice spacing in Silicon could be demonstrated by experiment as well as in FE-simulations. The FE reveals in Silicon stress between -20 and 150 MPa, if intrinsic stress of deposition inside Tungsten is neglected. The Silicon-Tungsten-interface develops stress gradients of some 10 MPa per micron. The X-ray diffraction measurements for the stress analysis were conducted at the PETRA III-Ring at DESY. The reciprocal 2-Theta-space was investigated by line scans and diffraction patterns were recorded. The registered strain is in the range of some 10E-5, what results in uniaxial stress between 5 and 10 MPa. The strain distributions at line scans of the FE were satisfyingly approved in case of small gradients. Large stress gradients were determined by a profile analysis of the diffraction peak. The investigation shows that stress gradients up to 170 MPa pro micron are present close to the TSV. The results were compared by Raman-spectroscopy. Both X-ray stress analysis and Raman-spectroscopy indicate larger stress gradients nearby the Tungsten-TSV than proposed by the FE-simulation. In addition a universal X-ray diffraction and radiography simulation named XSIM was developed within that thesis. A ray-tracing model was applied to that simulation. XSIM covers both kinematical and dynamical diffraction and optionally allows for Rayleigh and Compton scattering.