Les alliages d’aluminium, présentant un rapport résistance-poids élevé, sont capables de répondre aux exigences de réduction de masse et d’augmentation de sécurité dans la construction de nouveaux véhicules. Cependant, lors des opérations d’emboutissage, ces alliages présentent une plus faible formabilité et un retour élastique plus élevé que les aciers traditionnellement utilisés. L’emboutissage à température moyenne (qualifiée de tiède) apparaît comme une solution très intéressante pour résoudre ces problèmes. Néanmoins, l’emboutissage pour les alliages d'aluminium de la série 6000, reste toujours un défi car la gamme de température utilisée est proche de celle utilisée lors des traitements thermiques de ces alliages. Ainsi l’augmentation de la température peut entraîner un durcissement par précipitation. En outre, ces alliages sont susceptibles de vieillir naturellement. Tous ces changements doivent être prédits pour éviter des variations dans le process de production. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce travail a été d'analyser les conditions d’emboutissage à tiède de deux alliages d’Al-Mg-Si (l'EN AW 6016-T4 et l'EN AW 6061-T6), afin de d’améliorer la robustesse des opérations d’emboutissage. Des essais de traction et des essais d’emboutissage de godets cylindriques en température ainsi que des mesures de retour élastique (essai dit de Demeri) ont été effectués. Plusieurs paramètres comme le vieillissement naturel, la durée de chauffe et la vitesse d’emboutissage ont été étudiés afin de proposer des solutions permettant d’améliorer la robustesse des opérations d’emboutissage. L’emboutissage à tiède se révèle être une solution efficace pour améliorer la formabilité, réduire le retour élastique et la variabilité causée par le vieillissement naturel. Cependant, utiliser des vitesses d’emboutissage élevées et une chauffe rapide sont nécessaire pour éviter le durcissement par précipitation pendant l’emboutissage. / Heat treatable aluminum alloys present a high strength-to-weight ratio, which replies to the requirements of mass reduction and safety increase in the construction of new vehicles. However, in sheet metal forming operations, these alloys have lower formability and higher springback than traditionally mild steels used. In this context, forming in warm temperature appears as an attractive solution to solve these problems. Nevertheless, there is still a challenge since the temperature range used in warm forming is similar to one used in the heat treatment of these alloys. Thus increasing the temperature can lead to precipitation hardening, which modifies the thermo- mechanical behavior of the material. In addition, these alloys are prone to natural aging that causes variability in forming operations and increases the amount of scrap. The present study addresses the warm forming of two heat-treated Al-Mg-Si alloys (EN AW 6016-T4 and EN AW 6061-T6), in order to propose solutions that can contribute to the increase of robustness of sheet metal forming operations. The influence of natural aging, temperature and exposure time has been studied by using uniaxial tensile tests, cylindrical cup tests and the split ring tests. The main goal is to propose solutions to improve the robustness of the sheet metal forming process. Warm forming proves to be an effective solution for improving formability, reducing the springback and variability caused by natural aging. However, high forming speeds and fast heating are necessary to prevent precipitation hardening during forming operations.

Cette étude, réalisée dans le cadre d'une thèse co-financée par la région Bretagne et l'Union Européenne, a pour objectif l'étude expérimentale et numérique du retour élastique après emboutissage. Ce phénomène, néfaste aux procédés de mise en forme dans le contexte industriel, modifie la forme finale des pièces fabriquées. Le retour élastique est issu des contraintes résiduelles, engendrées lors de la mise en forme, qui se relaxent lors du retrait des outils et des différentes étapes de découpe. L'étude porte sur deux alliages d'aluminium : Al5754-O et Al6016-DR130-T4. Leur caractérisation mécanique est réalisée à partir d'essais de traction et de cisaillement monotone et cyclique, afin de mesurer l'effet Bauschinger. La détermination des paramètres matériaux de lois de comportement élastoviscoplastiques à écrouissage isotrope et mixte, associés à des critères de plasticité isotrope ou anisotrope, a été réalisée. Des essais d'emboutissage de godets cylindriques ont été effectués à température ambiante pour les deux matériaux. Le retour élastique est mis en évidence après la découpe d'un anneau dans le mur d'un godet, puis l'ouverture de celui-ci. Différents paramètres expérimentaux comme l'effort de serre-flan et la vitesse d'avance du poinçon ont été étudiés dans le cas de l'alliage d'aluminium Al6016. Ces essais ont permis de constituer une base de données expérimentale conséquente pour les deux matériaux. La modélisation du procédé d'emboutissage a été réalisée avec le code de calcul par éléments finis Abaqus, ainsi que la prédiction du retour élastique. Plusieurs paramètres numériques comme le type d'éléments finis, la forme du maillage ou le procédé de découpe numérique, ont été étudiés. Cela a permis d'établir une configuration numérique de référence pour tester l'influence de la loi de comportement sur la modélisation du procédé d'emboutissage et la prédiction du retour élastique. Un dernier aspect envisagé dans notre étude concerne l'influence de la température sur le procédé de mise en forme et le retour élastique. La température joue un rôle important lors des différentes phases de mise en forme, engendrant une importante diminution des efforts mis en jeu et également du retour élastique. L'étude porte sur l'alliage d'aluminium Al5754 et sur une gamme de température comprise entre 25 et 200°C. La modélisation des effets de la température est réalisée en utilisant un modèle de comportement élastoviscoplastique à écrouissage isotrope prenant en compte la température et couplé à un critère de plasticité isotrope.

La thèse présente une méthodologie pour construire des éléments finis de type " solide-coque " avec intégration réduite en vue des applications à la simulation de la mise en forme tel que l'emboutissage des tôles où ces éléments finis doivent présenter de bonnes aptitudes à modéliser la flexion mais également les situations de laminage de la tôle. A partir des éléments volumiques à 8 nœuds et 3 degrés de liberté par nœud (les 3 composantes du déplacement), un neuvième nœud est rajouté au centre de l'élément. Ce neuvième nœud n'est pourvu que d'un seul degré de liberté, le déplacement le long de la direction de l'épaisseur. Cette direction privilégiée a un nombre de points d'intégration supérieur ou égal à 3 mais l'intégration est réduite au centre de l'élément diminuant très sensiblement les temps CPU par rapport à une intégration complète. Un soin particulier a été pris pour contrôler tous les modes à énergie nulle dus à l'intégration réduite. Ce nœud supplémentaire permet une distribution linéaire de la déformation normale. Avec les lois de comportement complètement 3D ces nouveaux éléments solide-coque donnent des résultats similaires en flexion à ceux obtenus avec des éléments coques et état plan de contrainte. Le neuvième nœud joue le rôle d'un paramètre supplémentaire pour l'interpolation quadratique du déplacement dans la direction de l'épaisseur. Ce degré de liberté a une signification physique et un effort équivalent à une pression normale peut être prescrit. Dans les situations de pression normale et dans le cas du contact, la contrainte normale obtenue est physique ce qui n'est pas le cas de nombreux éléments solide-coque de la littérature. Le pincement ou le laminage des tôles est correctement modélisé. Pour valider ces éléments, un module d'emboutissage en U avec passage et laminage de la bande de tôle sur des rouleaux a été construit au laboratoire. La comparaison entre les efforts d'emboutissage calculés et mesurés est très bonne ainsi que la géométrie des bandes de tôle obtenue après retour élastique.

L'emboutissage est une technique de mise en forme des tôles métalliques. L'emboutissage est généralement suivi par un phénomène de retour élastique de la tôle emboutie. Le phénomène de retour élastique correspond à une modification de la géométrie de la tôle après enlèvement de la charge d'emboutissage. L'écrouissage du matériau est l'un des facteurs les plus importants qui influence ce phénomène. Dans cette thèse, l'écrouissage de différentes tôles dédiées à l'emboutissage a été étudié en utilisant la technique d'indentation instrumentée. Cette technique permet d'obtenir la loi d'écrouissage d'un matériau à partir de la mesure de l'évolution de l'enfoncement d'une bille dans le matériau testé en fonction de l'effort appliqué sur cette bille. Trois aspects essentiels de l'écrouissage ont été étudiés : La variation de la loi d'écrouissage dans l'épaisseur de la tôle, le niveau d'écrouissage atteint par la tôle après déformation plastique et le type d'écrouissage. Le test d'indentation instrumentée a permis de caractériser chacun de ces aspects influençant le retour élastique. Cet outil peut ainsi être utile dans une démarche d'amélioration de la prédiction du phénomène de retour élastique en emboutissage. / Stamping is a forming technique of the metal sheets. Stamping is generally followed by a springback phenomenon of the stamped sheet metal. The phenomenon of springback corresponds to a modification of the geometry of the sheet after removal of the load. One of the most important factors influencing springback is the work-hardening of the material. In this thesis, the work-hardening of different sheet metals used for stamping process was investigated using the instrumented indentation technique. This technique allows obtaining the work-hardening law of a material from the measurement of the evolution of the penetration depth of a ball in the tested material as a function of the applied force on the ball. Three major aspects of the work-hardening were studied: The variation of the work-hardening law in the thickness of the sheet, the level of work-hardening obtained after plastic deformation and the type of the work-hardening. The instrumented indentation test allows characterizing each of these aspects influencing springback. This tool can thus be useful in a process of improving the prediction of the springback phenomenon in stamping.

L'objectif de la thèse effectuée dans le cadre du projet européen « Intelligent system for NET shape FORming of Sheet MEtal Product » est la recherche de procédures optimisées pour la mise au point de simulations numériques d'opérations industrielles d'emboutissage. Ce travail a pour but d'apporter des réponses efficaces, applicables au sein d'une entreprise en regard de la mauvaise perception de ce type de procédé dans le milieu industriel.<br />La procédure met en avant le rôle clé de l'identification des lois de comportement élastoplastiques définissant le comportement de la tôle pendant la simulation.<br />Dans un premier temps on s'intéresse à l'identification classique à partir d'essais de traction utilisés habituellement à cet effet.<br />Différentes techniques et protocoles sont alors retenus pour tirer le meilleur parti de ce type d'essais en utilisant notamment les techniques expérimentales d'analyse d'images.<br />Ces choix conduisent à une amélioration notable des résultats concernant l'effet du retour élastique, l'état de contraintes résiduelles et la prédiction de la localisation de la déformation.<br />Cependant les limites de ce type d'identification réalisé sur des essais homogènes apparaissent clairement.<br />C'est pourquoi, nous proposons une méthode originale d'identification des paramètres de la loi de comportement à partir d'essais hétérogènes voisins du cas réel de mise en forme. L'optimisation des coefficients de la loi de comportement est alors fondée sur l'utilisation de réseaux de neurones. Les avantages de cette méthode sont démontrés sur un exemple d'emboutissage de pièces axisymétriques à flan bloqué.

Face aux exigences concurrentielles et économiques actuelles dans le secteur automobile, l'emboutissage a l'avantage, comme étant un procédé de mise en forme par grande déformation, de produire, en grandes cadences, des pièces de meilleure qualité géométrique par rapport aux autres procédés de fabrication mécanique. Cependant, il présente des difficultés de mise en œuvre, cette dernière s'effectue généralement dans les entreprises par la méthode classique d'essai-erreur, une méthode longue et très coûteuse. Dans la recherche, le recours à la simulation du procédé par la méthode des éléments finis est une alternative. Elle est actuellement une des innovations technologiques qui cherche à réduire le coût de production et de réalisation des outillages et facilite l'analyse et la résolution des problèmes liés au procédé. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif est de prédire et de prévenir, particulièrement, le retour élastique et la rupture. Ces deux problèmes sont les plus répandus en emboutissage et présentent une difficulté en optimisation puisqu'ils sont antagonistes. Une pièce mise en forme par emboutissage à l'aide d'un poinçon sous forme de croix a fait l'objet de l'étude. Nous avons envisagé, d'abord, d'analyser la sensibilité des deux phénomènes concernés par rapport à deux paramètres caractéristiques du procédé d'emboutissage (l'épaisseur du flan initial et de la vitesse du poinçon), puis par rapport à quatre (l'épaisseur du flan initial, de la vitesse du poinçon, l'effort du serre flan et le coefficient du frottement) et finalement par rapport à la forme du contour du flan. Le recours à des méta-modèles pour optimiser les deux critères était nécessaire.

La thèse présente une méthodologie pour construire des éléments finis de type « solide-coque » avec intégration réduite en vue des applications à la simulation de la mise en forme tel que l’emboutissage des tôles où ces éléments finis doivent présenter de bonnes aptitudes à modéliser la flexion mais également les situations de laminage de la tôle. A partir des éléments volumiques à 8 nœuds et 3 degrés de liberté par nœud (les 3 composantes du déplacement), un neuvième nœud est rajouté au centre de l’élément. Ce neuvième nœud n’est pourvu que d’un seul degré de liberté, le déplacement le long de la direction de l’épaisseur. Cette direction privilégiée a un nombre de points d’intégration supérieur ou égal à 3 mais l’intégration est réduite au centre de l’élément diminuant très sensiblement les temps CPU par rapport à une intégration complète. Un soin particulier a été pris pour contrôler tous les modes à énergie nulle dus à l’intégration réduite. Ce nœud supplémentaire permet une distribution linéaire de la déformation normale. Avec les lois de comportement complètement 3D ces nouveaux éléments solide-coque donnent des résultats similaires en flexion à ceux obtenus avec des éléments coques et état plan de contrainte. Le neuvième nœud joue le rôle d’un paramètre supplémentaire pour l’interpolation quadratique du déplacement dans la direction de l’épaisseur. Ce degré de liberté a une signification physique et un effort équivalent à une pression normale peut être prescrit. Dans les situations de pression normale et dans le cas du contact, la contrainte normale obtenue est physique ce qui n’est pas le cas de nombreux éléments solide-coque de la littérature. Le pincement ou le laminage des tôles est correctement modélisé. Pour valider ces éléments, un module d’emboutissage en U avec passage et laminage de la bande de tôle sur des rouleaux a été construit au laboratoire. La comparaison entre les efforts d’emboutissage calculés et mesurés est très bonne ainsi que la géométrie des bandes de tôle obtenue après retour élastique. / This thesis presents a methodology for developing under-integrated “solid-shell” finite elements for sheet forming simulations like deep drawing where these elements must offer a bending capability and sheet thinning conditions as well. Starting from 8-node elements endowing three degrees of freedom per node (three displacement components), a ninth node is added at the centre of the element. This extra node has just one degree of freedom: a displacement along the ‘thickness’ direction. Several integration points are distributed along this privileged direction (5 points, generally) but the in-plane reduced integration at the centre of the element decreases CPU costs compared to a full integration. A special care has been taken to control all zero-energy modes due to the reduced integration. This additional node allows a linear distribution of the normal strain. With fully-3D constitutive laws, these new solid-shell elements give similar bending results as those obtained with shell elements and a plane stress state hypothesis. This ninth node acts as an additional parameter for the quadratic interpolation of the displacement in the ‘thickness’ direction. The corresponding degree of freedom has a physical meaning and a force, equivalent to a normal pressure for instance, may be prescribed. In situations of a normal pressure and in the case of contact, the obtained normal stress is physically defined, which is not the case for many solid-shell elements found in the literature. The pinching (or the thinning) of sheets is properly modelled. To validate these elements, an apparatus for U-drawing tests with ironing or thinning on strip sheets has been built in the laboratory. The comparison between numerical and experimental punch force during sheet forming is pretty good as well as the geometry of blank after springback.

Face aux exigences concurrentielles et économiques actuelles dans le secteur automobile, l'emboutissage a l'avantage, comme étant un procédé de mise en forme par grande déformation, de produire, en grandes cadences, des pièces de meilleure qualité géométrique par rapport aux autres procédés de fabrication mécanique. Cependant, il présente des difficultés de mise en œuvre, cette dernière s'effectue généralement dans les entreprises par la méthode classique d'essai-erreur, une méthode longue et très coûteuse. Dans la recherche, le recours à la simulation du procédé par la méthode des éléments finis est une alternative. Elle est actuellement une des innovations technologiques qui cherche à réduire le coût de production et de réalisation des outillages et facilite l'analyse et la résolution des problèmes liés au procédé. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif est de prédire et de prévenir, particulièrement, le retour élastique et la rupture. Ces deux problèmes sont les plus répandus en emboutissage et présentent une difficulté en optimisation puisqu'ils sont antagonistes. Une pièce mise en forme par emboutissage à l'aide d'un poinçon sous forme de croix a fait l'objet de l'étude. Nous avons envisagé, d'abord, d'analyser la sensibilité des deux phénomènes concernés par rapport à deux paramètres caractéristiques du procédé d'emboutissage (l'épaisseur du flan initial et de la vitesse du poinçon), puis par rapport à quatre (l'épaisseur du flan initial, de la vitesse du poinçon, l'effort du serre flan et le coefficient du frottement) et finalement par rapport à la forme du contour du flan. Le recours à des méta-modèles pour optimiser les deux critères était nécessaire. / The processing of sheet metal forming is of vital importance to a large range of industries as production of car bodies, cans, appliances, etc. It generates complex and precise parts. Although, it is an involved technology combining elastic-plastic bending and stretch deformation of the workpiece. These deformations can lead to undesirable problems in the desired shape and performance of the stamped. To perform a successful stamping process and avoid shape deviations such as springback and failure defects, process variables should be optimized.In the present work, the objective is the prediction and the prevention of, especially, springback and failure. These two phenomena are the most common problems in stamping process that present much difficulties in optimization since they are two conflicting objectives. The forming test studied in this thesis concern the stamping of an industrial workpiece stamped with a cross punch. To solve this optimization problem, the approach chosen was based on the hybridization of an heuristic and a direct descent method. This hybridization is designed to take advantage from both disciplines, stochastic and deterministic, in order to improve the robustness and the efficiency of the hybrid algorithm. For the multi-objective problem, we adopt methods based on the identification of Pareto front. To have a compromise between the convergence towards the front and the manner in which the solutions are distributed, we choose two appropriate methods. This methods have the capability to capture the Pareto front and have the advantage of generating a set of Pareto-optimal solutions uniformly spaced. The last property can be of important and practical.