Dans cette thèse, deux méthodes de couplage sont proposées pour la simulation multi-échelle des procédés de mise en forme. Dans la première partie, une procédure simplifiée (couplage indirect) est adoptée pour coupler les codes éléments finis (Abaqus et LAM3) au modèle polycristallin avec un schéma de transition autocohérente basée sur le comportement élastoplastique du monocristal écrit dans le formalisme des grandes déformations. Cette procédure simplifiée consiste à lier le modèle polycristallin avec l'analyse EF par l'extraction de l'histoire de l'incrément de déformation et de contrainte macroscopique, obtenue à partir d'une simulation EF préliminaire avec une loi phénoménologique, et à l'utiliser comme trajet de chargement dans le modèle polycristallin. Cette méthode est appliquée pour la simulation multi-échelle du procédé de skin-pass. Le suivi du trajet de chargement extrait dans la demi-épaisseur de la tôle a permis de prédire l'évolution des grandeurs physiques associées au modèle de plasticité en particulier la texture cristallographique, la texture morphologique et l'écrouissage. Dans la seconde partie de cette thèse, un modèle polycristallin élastoplastique du type autocohérent en petites déformations est couplé au code EF Abaqus via la routine utilisateur UMAT. Ce couplage (dit couplage direct) consiste à utiliser la théorie de la plasticité cristalline comme loi de comportement à chaque point d'intégration du maillage EF. Le polycristal est représenté par un ensemble de N monocristaux. Chaque fois que le code EF a besoin d'information sur le comportement mécanique aux points d'intégration de chaque EF, le modèle polycristallin est appelé. Pour valider ce couplage développé, nous avons effectué des cas tests de simulation de trajets rhéologiques. Les résultats issus de ce couplage ont été validés avec des modèles de référence. À la différence des modèles phénoménologiques, ce couplage permet non seulement d'avoir des informations sur le comportement macroscopique de la structure mais aussi d'obtenir des informations sur l'état de la microstructure du matériau. / In this thesis, two coupling methods are proposed for the multiscale simulation of forming processes. In the first part, a simplified procedure (indirect coupling) is adopted to couple the finite element codes (Abaqus and LAM3) with a polycrystalline selfconsistent model based on the large strain elastoplastic behavior of single crystals. This simplified procedure consists in linking the polycrystalline model with the FE analysis by extracting the history of the increment of macroscopic strain and stress, obtained from a preliminary FE simulation with a phenomenological law, and then using it as loading path prescribed to the polycrystalline model. This method is applied to multiscale simulation of skin-pass processes. By following on the loading path extracted at the halfthickness of the sheet, we can predict the evolution of some physical parameters associated with the plasticity model, in particular the crystallographic texture, the morphological texture and hardening. In the second part on this thesis, a small strain version of the elastoplastic polycristalline self-consistent model is coupled to the Abaqus FE code via the user material subroutine UMAT. This coupling (called direct coupling) consists in using crystal plasticity theory as constitutive law at each integration point of the FE mesh. The polycristal is represented by a set of N single crystals. Each time the FE code needs information on the mechanical behavior at the integration points considered, the full polycrystalline constitutive model is called. In order to validate this coupling, simulations of simple mechanical tests have been conducted. The results of this coupling have been validated through comparison with reference models. Unlike phenomenological models, this coupling provides not only information on the overall macroscopic response of the structure, but also important information related to its microstructure

Today's automotive requirements have resulted in complex Sheet Metal Forming (SMF) processes of Sheet Metal (SM) with reduced formability, and thus it is crucial to be able to predict formability accurately to prevent material failure during SMF. Formability predictions today utilize Forming Limit Curves (FLC)s in Finite Element Analysis (FEA), but  FLCs are not valid for the Non-Linear Strain Paths (NLSP)s generated during SMF. One purpose of this thesis is thus to increase the knowledge on FP handling NLSP,  which was obtained through providing suggestions of failure models for handling NLSP effects, based upon literature on the subject. Generating NLSP experimentally is both time and material costly with the conventional method, thus the second purpose of this thesis was to increase the knowledge on test procedures for generating NLSP in SM. Based upon the findings of Chandramohan \cite{chandramohan_study_2021} five test procedures for generating NLSP were put forward, and the Nakajima test with modified punch geometry was chosen for further study.   In this thesis, the NLSP characteristics of two modified punch geometries were evaluated by FEA performed using LS-DYNA. For the FEA three specimens with blank width of 50, 100 and 200 mm was used, and the anisotropic Barlat yld2000  was used as the material model. This material model was calibrated to material data of Mild steel CR4, Aluminium alloy AA6016, and Dual-phase steel DP800. The results for all materials showcased similar reacquiring general NLSP characteristics at the corners of the punch features, which are unfavorable positions when failure by necking is evaluated, and thus it was concluded that the tested punch geometries are not favorable and more development of the punch geometry is needed. / Dagens fordonskrav, har lett till komplexa plåtformnings processer av plåtmaterial med reducerad formbarhet, och det är därför väsenligt att kunna förutsäga formbarhet noggrant för att förhindra materialbrott under plåtformning. Försträckning och brott förutses idag genom Formgränskurvor (FGK) i finita element analyser (FEA), men dessa gäller inte för icke-linjära töjningsvägar som uppkommer under plåtformning. Ett syfte av denna avhandling är därför att öka kunskapen kring modeller för att förutsäga formbarhet under icke-linjära töjningsbanors effekter, vilket uppnådes genom att  presenteras  förslag på brott modeller för att hantera de icke-linjära töjningsvägar baserade på  literatur inom området. Att generera icke-linjära töjningsvägar experimentellt är både tids och materialkrävande med den konventionella metoden, således är det andra syftet av denna avhandling att öka kunskapen kring test metoder för att generera icke-linjär töjningsbvägar i plåt. Baserat på Chandramohans \cite{chandramohan_study_2021} resultat diskuteras fem test procedurer för att generera icke-linjära töjningsvägar, och Nakajima test med modifierad stämpelgeometri valdes för vidare studie.  I denna avhandling studerades töjningsignaturen av två stämpelgeometrier med FEA i LS-DYNA. Till FEA:n användes tre ämnen med bredd av 50, 100 och 200mm, och anisotropiska Barlat yld2000 användes som materialmodell. Denna materialmodell kalibrerades mot experimentella mätvärden för mjukt stål CR4, Aluminiumlegering AA6016 och Stål DP800. Resultaten visade för alla material återkommande generella icke-linjära töjningsbanor enbart för hörnorna på stansgeometrierna, vilket är icke önskvärda positioner då brott pga. midjebildning utvärderas, och således drogs slutsatsen att nuvarande stansgeometri inte är gynnsam och ytterligare utveckling behövs.

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Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.

Induction Assisted Single Point Incremental Forming (IASPIF) is a die-less hot sheet metal forming. The IASPIF does not apply characteristic complex tooling like those applied in deep drawing and bending. In this thesis, induction heating was used to heat up the sheet while simultaneously forming with a tool. The research goal is to improve the formability of high strength steels by heating. The IASPIF consists of non-complicated set up that allows induction heating to be utilized through the coil inductor moved under the sheet and synchronized with the forming tool that moves on the upper side of the sheet. The advanced high strength steel alloys, DP980, DP600 and 22MnB5 steels, were investigated. The influence of induction heating on formability was evaluated by the maximum wall angle that can be achieved in a single pass. Additionally, tool diameter and tool feed rate was also varied. The most influencing parameters were tool feed rate, induction power, and the profile depth. A new forming strategy was also developed by control the heating temperature through coupling the formed profile depth with a successively increased tool feed rate. The forming forces of DP980 steel sheet, were reduced from 7 kN to 2.5 kN when forming process was performed at room and elevated temperature, respectively. Stretching stresses were developed during forming process causing a high reduction in the resulting wall part thickness. New findings in this investigation were the reverse relationship between the step-down depth and the thickness reduction percentage. The smaller the tool diameter, the better was the formability. The finite element simulation of the investigated forming process showed that the increase in heating temperature has a direct effect on rising the plastic strain from 0.2 at room temperature to 1.02 at 800 ◦ C. The maximum true strain achieved in the resulting wall part thickness was determined by FEM simulations and validated with experimental trials. The part shape accuracy was measured and the highest deflection was founded when the part was formed by the highest step-down depth. Moreover, the minimum deflection in the part shape was achieved by utilizing a high induction power in the experiments. Finally, the resulting mechanical properties of the 22MnB5 alloy sheet material were tailored during IASPIF. For this purpose, the sheets were locally heated by induction during the forming process and subsequently quenched at different rates. As a result, the produced tailored parts consist of three different regions, which consist of a ductile, transitional and hardened region. The proposed procedure allows forming and quenching at the same time without transfer and thus, process time was reduced. / Die induktionsgestützte, inkrementelle Blechumformung (englisch: Induction Assisted Single-Point Incremental Forming IASPIF) ist Warmumformprozess, bei dem keine komplexen Werkzeuge wie beim Tiefziehen und Biegen benötigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die inkrementelle Umformung eines Bleches mit gleichzeitig ablaufender induktiver Erwärmung. Das Forschungsziel bestand in der Verbesserung der Umformbarkeit von hochfesten Stahlwerkstoffen wie DP600, DP980 und 22MnB5 durch eine gezielte partielle Erwärmung. Der prinzipielle Aufbau des Versuchsstandes besteht aus einem Spuleninduktor, der unterhalb des umzuformenden Blechs platziert ist, und der synchron mit dem Werkzeug – einem Drückdorn – während des Umformvorganges verfährt. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt bestand in der Ermittlung der Einflussgrößen auf den untersuchten IASPIF-Prozess. Für die Bewertung der Umformbarkeit wurden hierbei der maximal erreichbare Teilwandwinkel und die Profiltiefe, die in einem Umformdurchgang herstellbar waren, ermittelt und ausgewertet. Darüber hinaus konnten im Rahmen der Arbeit die Induktionsleistung des Generators, der Werkzeugdurchmesser und die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit als relevante Prozessparameter identifiziert werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigten die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit und die Induktionsleistung einen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Profiltiefe. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen konnte eine prozessangepasste Umformstrategie entwickelt werden, bei der eine konstante Erwärmungstemperatur durch das Koppeln der momentanen Profiltiefe mit einer sukzessiv steigenden Werkzeugvorschubgeschwindigkeit erreicht wird. Weiterhin ließen sich die Kräfte bei der Umformung eines Stahlbleches aus DP980 von 7 kN (bei Raumtemperatur) auf 2,5 kN (bei erhöhter Temperatur) reduzieren. Aufgrund des mit einem Streckziehvorgang vergleichbaren Spannungszustandes während des Umformprozesses war eine starke Verringerung der resultierenden Wanddicke zu beobachten. Als neue Erkenntnis in dieser Untersuchung konnte die umgekehrte Beziehung zwischen der Zustelltiefe und dem Dickenreduktionsprozentsatz abgleitet werden. Aus der Finite - Elemente - Simulation des vorgestellten Umformprozesses wurde erkennbar, dass die Erhöhung der Erwärmungstemperatur einen direkten Einfluss auf die plastische Dehnung von 0,2 (bei Raumtemperatur) auf 1,02 (bei 800 °C) hat. Mittels der numerischen Simulation und der nachfolgenden experimentellen Validierung erfolgte darüber hinaus die Bestimmung der maximalen wahren Dehnung, die in der resultierenden Wanddicke erreicht wurde. Bei den Versuchen mit der größten Zustellung ließ sich durch die Bestimmung der Teileformgenauigkeit die höchste Abweichung von der Sollgeometrie CAD Modell feststellen. Abschließend wurde nachgewiesen, dass der IASPIF Prozess auch zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften wie der resultierenden mechanischen Eigenschaften des Blechmaterials aus 22MnB5 einsetzbar ist. Zu diesem Zweck wurden die Bleche während des Umformprozesses lokal induktiv erwärmt und anschließend zur Einstellung des gewünschten Gefüges bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten abgeschreckt.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.