La fissuration à chaud est un problème récurrent et critique pouvant mener à des défaillances lorsque les pièces formées sont soumises à diverses sollicitations dans leurs conditions d'utilisation comme dans le secteur automobile. Cette étude permet d'une part de valider la géométrie d'un moule destiné à évaluer la susceptibilité à la fissuration à chaud d'alliages d'aluminium moulés avec cette technique et d'autre part de définir un nouveau critère permettant d'expliquer la cause principale de l'apparition de fissuration à chaud. La fissuration à chaud ne se produit seulement lorsque le semi-solide se situe dans son intervalle de fragilité situé entre la fraction critique de solide et le point de rigidité de l'alliage. Un alliage avec une forte susceptibilité à la fissuration à chaud (Al-1%mCu) a été comparé avec un alliage ayant une plus faible fréquence d'apparition de fissure (Al-5%mCu). L'analyse par éléments finis opérée avec le logiciel ABAQUS/Explicit a permis de montrer que la pression hydrostatique est le facteur permettant d'expliquer l'apparition de fissurations à chaud et lorsqu'elle atteindrait une valeur critique de -0.1 MPa, les porosités prendraient tellement d'expansion qu'elles se propageraient sous la forme d'une fissure dans le semi-solide. La valeur de la pression hydrostatique critique dépend donc de la fraction critique de solide, du taux de refroidissement, de la quantité d'hydrogène dissout dans le liquide, de la microstructure et des contraintes de traction. Cette théorie peut ainsi être généralisée à tous les alliages d'aluminium. / Hot tearing is a critical problem which occurs very often during solidification process and can lead to failure when the part is exposed to different stresses like automotive field. First, the geometry of the mold allowing the hot tearing susceptibility study for aluminium alloys used in High Pressure Vacuum Die Casting technic has been verified. Then, a new criterion is proposed to explain hot tearing arrival and its propagation into the semi-solid. Hot tearing occurs only during a weakness interval of temperature depending on the cooling rate, the microstructure, and the solid fraction of the alloy. An alloy with a high hot tearing sensitivity (Al-1%wtCu) is compared with another alloy with a smaller hot tearing sensitivity (Al-5%wtCu). Finite Element Analysis were performed with the software ABQUS/Explicit to prove that hydrostatic pressure is the criterion allowing to explain hot tearing formation and when the hydrostatic pressure is more negative than the critical value of -0.1MPa, porosities can grow up and propagate it into the semi-solid with the shape of a tear. In this case, the value of the critical hydrostatic pressure depends on the critical solid fraction, the microstructure, the cooling rate, dihydrogen concentration dissolved in the liquid fraction and the tractions stresses. This theory can be applied to all of the aluminium alloys.

Ce mémoire présente la conception d'un mini robot d'interaction rétroentraînable translationnel à trois degrés de liberté pour des tâches de finition de pièces métalliques, telles que le polissage et l'ébavurage. Le mini robot sert de tête de compliance, permettant l'adaptation d'un robot industriel à une pièce. Les propriétés physiques du mini robot permettent l'implantation d'un algorithme de commande en impédance lors de l'utilisation du système. La faible masse du mécanisme permet de l'installer à l'effecteur d'un robot industriel, formant ainsi un système de type macro-mini. Malgré la faible taille du mini robot, il peut exercer les forces de contact nécessaires pour effectuer des tâches de finition. Premièrement, un prototype d'un robot translationnel plan à deux degrés de liberté est préalablement conçu. Un algorithme de commande en impédance est développé et est ensuite testé conjointement avec le prototype afin de vérifier ses performances pour une tâche prédéfinie. Ensuite, un prototype du mini robot à trois degrés de liberté est conçu. Différentes architectures de robots translationnels à trois degrés de liberté sont comparées ; l'architecture la plus appropriée pour le projet est sélectionnée. Des paramètres géométriques sont sélectionnés pour le robot. Les capacités physiques de l'architecture sont prédites afin de s'assurer de respecter tous les critères de conception. Par après, l'algorithme de commande en impédance est adapté au mini robot. Celui-ci est installé sur un robot portique afin de former le système macro-mini. Des tests de sablage sont effectués afin de valider le fonctionnement du système et permettent d'identifier différentes problématiques du système. L'architecture du mini robot est modifiée afin de diminuer l'effet de ces problématiques. De nouveaux tests sont effectués afin de valider l'amélioration des performances du système avec cette nouvelle version du mini robot. Des recommandations sont formulées quant au concept de la tête de compliance et les limites d'utilisation de celle-ci sont établies. Le mini robot est comparé aux têtes de compliance actuellement sur le marché. Finalement, une méthode permettant d'évaluer l'amplitude des forces de friction du mécanisme est présentée. Une première ébauche d'un algorithme de compensation de la friction est aussi développée. / This Master's thesis presents the design process of a backdrivable three-degree-of-freedom translational mini robot used to control the interaction with a metallic part during finishing tasks, such as polishing and deburring. The mini robot acts as an active contact flange, allowing an industrial robot to adapt to a part. The physical properties of the mini robot make it possible to implement an impedance control algorithm when using the system. The low mass of the mechanism allows it to be installed at the end-effector of an industrial robot, forming a macro-mini system. Despite the small size of the mini robot, it can apply the necessary contact forces to accomplish the finishing tasks. Firstly, a prototype of a two-degree-of-freedom planar translational robot is first conceived. An impedance control algorithm is developed and is then tested using the planar robot to evaluate its performance when accomplishing a predefined task. Then, a prototype of the mini robot is designed. Different three-degree-of-freedom robot architectures are compared; the most suitable architecture for the project is selected. Geometrical properties are initially chosen for the robot. The physical capabilities of the architecture are predicted to ensure that the design criteria are satisfied. The impedance control algorithm is then adapted to the mini robot. The macro-mini system is formed by installing the mini robot on a gantry robot. Sanding tests are carried out in order to validate the performance of the system. The results of the tests reveal a few issues with the robotic system. The architecture of the mini robot is therefore modified in order to mitigate the impact of the issues previously identified. New tests are carried out with the intention of validating the improvement of this new version of the mini robot's performance. The results of the second series of tests are used to make recommendations about the contact flange's design and usage limitations are established. The mini robot is compared to other contact flanges already available on the market. Finally, a method allowing the determination of the magnitude of the mechanism's friction forces is presented. A first draft of a friction compensation algorithm is developed.

Le procédé d'extrusion permet d'obtenir des tubes de section circulaire à partir d'une billette d'aluminium. Cependant, l'extrusion tubulaire de l'alliage 6063 lui confère de faibles propriétés mécaniques ainsi que des épaisseurs de paroi limitées. Elle donne aussi de mauvaises tolérances ainsi qu'un fini de surface qui laisse à désirer. L'opération d'étirage subséquente permet alors de réduire le diamètre ainsi que l'épaisseur de la paroi des tubes afin d'améliorer leurs tolérances, d'augmenter leurs propriétés mécaniques par écrouissage ainsi que d'obtenir un meilleur fini de surface. Pom atteindre la condition T832 prescrite par le client, un certain pourcentage de réduction est nécessaire afin d'écrouir les tubes suffisamment. Le pourcentage de réduction à atteindre est de 50% afin d'obtenir les bonnes propriétés mécaniques. Actuellement, ce haut pourcentage de réduction nécessite deux passes d'étirage afin d'éviter le bris des tubes. Le projet vise à optimiser les paramètres du procédé d'étirage à froid afin de permettre la réduction nécessaire en une seule passe. L'optimisation de la géométrie de l'outillage est effectuée par le biais d'un modèle éléments finis. Une loi de comportement élasto plastique déjà implémentée dans le logiciel commercial LS-DYNA a été utilisée. Le comportement aux interfaces de contact du tube avec l'outillage est modélisé par un contact surface sur surface avec un coefficient de friction de Coulomb. Les deux variables étudiées pour la géométrie des filières sont l'angle d'entrée ainsi que le rayon de courbure entre la région conique et la portée cylindrique. Des expérimentations ont été effectuées afin de valider les résultats numériques. Une bonne corrélation entre les résultats numériques et expérimentaux a été trouvée.

L'étirage à froid de tubes est un procédé déjà bien connu. Il est utilisé afin de réduire le diamètre extérieur d'un tube tout en calibrant de façon précise l'épaisseur finale de ce dernier. Généralement, le tube brut est passé à travers une matrice qui réduit son diamètre et l'épaisseur du tube est imposée par l'utilisation d'un mandrin interne. Certains éléments de structure en aluminium qu'on retrouve dans les voitures, dans les avions ou encore dans d'autres moyens de transport, nécessitent l'utilisation de l'hydroformage étant donné leur géométrie complexe. Il peut être alors intéressant d'utiliser des tubes dont l'épaisseur de paroi varie afin de minimiser les risques de rupture lors de l'hydroformage dans les zones où l'amincissement est très important. On présente dans ce mémoire les étapes qui ont mené à la conception d'un banc d'essais afin de pouvoir mettre en forme des tubes en aluminium à paroi variable. Le principe de fonctionnement de la machine d'étirage consiste à tirer un tube à travers une matrice permettant le calibrage du diamètre extérieur final du tube. Pour faire varier l'épaisseur de la paroi du tube, on utilise un mandrin interne qui se déplace dans l'axe du tube selon les paramètres géométriques du tube désiré. Ainsi, selon le déplacement du mandrin, il est possible d'amincir la paroi du tube et d'obtenir un tube dont l'épaisseur de paroi varie sur sa longueur. Des essais mécaniques préliminaires ont été complétés afin de valider le bon fonctionnement du banc de test. Les premiers résultats nous montrent qu'il est possible de faire varier l'épaisseur de la paroi d'un tube. Cependant des essais plus exhaustifs seront nécessaires d'abord pour étudier en profondeur l'effet de différents paramètres sur le produit final mais aussi afin de mieux contrôler le procédé.

Voici une étude exploratoire sur la possibilité d'emboutir une cuve d'évier par procédé d'hydroformage. Premièrement, un état de l'art de l'hydroformage a été effectué suivi d'un choix parmi les différentes méthodes à utiliser. Avant de réaliser les analyses sur les éviers, un modèle mathématique de simulation par élément finis a été validé à l'aide d'expérimentations. Suite à cette validation, les cuves d'éviers fabriquées par Julien ont été analysées à l'aide de règles simples sur l'emboutissage. Puisque les géométries des cuves ne respectaient pas ces règles, une géométrie d'évier commercial a été utilisée pour les simulations. Les résultats des simulations ont permis de démontrer qu'il est techniquement difficile d'hydroformer une cuve d'évier commerciale. Par conséquent, la géométrie de la cuve a été modifiée pour obtenir une forme emboutissable par hydroformage. Diverses conclusions ont été tirées menant à des suggestions quant au design de pièces pouvant être fabriquées par hydroformage.

L’usage des outils de modélisation numérique dans la simulation des différents procédés de mise en forme est, de nos jours, un incontournable. L’industrie du forgeage, avec des logiciels de calcul et simulation très avancés tels que Forge ou Abaqus utilisés dans de nombreuses études et thèses, est en mesure d’assurer un bon contrôle des paramètres (paramètres procédé et paramètres matériau), ce qui permet la production de pièces de haute qualité, à géométrie complexe et très compétitives. La simulation numérique avec l’aide de méthodes appropriées comme ALE (Arbitrairement Eulérien Lagrangien) et SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) qui seront abordées dans le rapport, permet de réduire considérablement le temps et les coûts grâce aux procédés d’optimisation et de prototypage virtuel. Avec l’intégration des lois de comportement adaptées pour chaque cas dans les processus de mise en forme et le contrôle des paramètres du procédé, la simulation offre des résultats d’une grande précision pour des procédés tels que l’usinage et le forgeage, qui fait l’objet de notre étude. En partenariat avec Héroux-Devtek, notre travail porte sur la simulation de la mise en forme d’une composante d’un train d’atterrissage d’avion en aluminium par forgeage à chaud à matrices fermées. Cette étude nécessite une bonne compréhension de la cinématique des outils et des propriétés du matériau avant et lors de la mise en forme. Pour cela, une étude paramétrique pour vérifier l’importance de chaque paramètre sur les résultats finaux sera effectuée. Les logiciels de simulation utilisés sont Abaqus explicite et Ls-dyna. Les différentes analyses effectuées dans cette étude ont permis de développer une méthodologie d’analyse ainsi qu’une première bonne approximation de la mise en forme de la composante du train d’atterrissage et d’identifier les paramètres permettant de mieux contrôler le procédé et d’améliorer les résultats de simulation. Mots-clés : Forgeage à chaud, ALE, SPH, MEF, aluminium, train d’atterrissage / The use of numerical modeling tools in the simulation of different methods of forming is nowadays a must. The forging industry, thanks to advanced calculation and simulation softwares such as Forge or Abaqus used in many studies and theses, can take advantage of good control settings (process and material parameters) that enable the production of high quality pieces, with complex geometry and highly competitive. Numerical simulation with the help of appropriate methods as ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) that will be addressed in the report , can significantly reduce the time and costs through process optimization and virtual prototyping. With the integration of material laws adapted for each case during the forming process and the control of process parameters, simulation results are highly accurate for processes such as machining and forging, which is the subject of our study. In partnership with Héroux-Devtek, our work focuses on the simulation of the manufacturing of an aircraft landing gear component in aluminum by hot closed-die forging. This study requires a good understanding of the kinematics of tools, and material properties before and during the forming process. Thus, a parametric study to test the importance of each parameter on the final results will be done. Simulation softwares that will be used are Abaqus explicit and Ls-dyna. The analyses conducted in this study were used to develop an analysis methodology, to find a good first approximation of the forging simulation of the component of the landing gear and to identify parameters that allow for better simulation results. Keywords: Hot forging, ALE, SPH, FEM, aluminum, landing gear

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L’objectif de ce travail est de développer une modélisation prédictive du comportement et de la rupture ductile des matériaux métalliques à anisotropies initiales et induites par l’endommagement. La thermodynamique des processus irréversibles est utilisée comme cadre pour la formulation proposée. Le modèle de comportement est élastoplastique anisotrope avec écrouissage non linéaire isotrope et cinématique en grandes déformations plastiques, avec une théorie non associée à normalité associée, basée sur des normes de contraintes quadratiques. L’endommagement ductile anisotrope est décrit par un tenseur du second ordre symétrique dont l’évolution est décrites par des relations de type Lemaitre-Desmorat. Le couplage fort comportement-endommagement est réalisé dans le cadre de l’hypothèse de l’équivalence en énergie totale où l’effet de l’endommagement sur le comportement est introduit par un tenseur « effet d’endommagement » d’ordre quatre symétrique de type Murakami. Après une caractérisation expérimentale des mécanismes physiques de l’endommagement dans l’acier AISI 316L, le modèle de comportement avec endommagement a été identifié. Une fois discrétisé et implémenté dans le code de calcul de structures ABAQUS/Explicit®, une étude paramétrique et de nombreuses simulations numériques de l’endommagement anisotrope en mise en forme de quelques structures ont été réalisées et discutées en détail / The objective of this work is to develop a predictive modeling of behavior and ductile fracture of metallic materials with initial anisotropy and induced by the ductile anisotropic damage. Thermodynamics of irreversible processes is used as a framework for the proposed formulation. The model is anisotropic elastoplastic with non-linear isotropic and kinematic hardening under large plastic strains. It is formulated in the framework of the non-associative plasticity theory with associative normality rule and based on quadratic equivalent stress. The anisotropic ductile damage is described by a symmetric second-rank tensor whose evolution is described by Lemaitre /Desmorat type relationships. The strong damage-behavior coupling is done under the assumption of total energy equivalence where the effect of the anisotropic damage is introduced by a fourth-rank symmetric damage-effect tensor of Murakami kind.After an experimental characterization of the main physical mechanisms of anisotropic damage in stainless steel AISI 316L, the behavior model with damage has been identified. Once discretized and implemented in the computer code ABAQUS / Explicit ®, a parametric study and many numerical simulations of anisotropic damage in some metal forming processes have been carried out and discussed in detail