Precision tube drawing for biomedical applications : Theoretical, Numerical and Experimental study
Etirage de tubes de précision pour applications biomédicales : contribution à l'analyse et l'amélioration du procédé par expérimentation, modélisation et simulation numérique
Résumé
Precision metallic tubes are widely used for biomedical applications. The requirements of such tubes in term of surface quality, precise dimensions and mechanical properties can be achieved by cold tube drawing only. The purpose of this study is to model the mandrel tube drawing in order improve the process understanding and to build a tool both for process optimisation and for failure prediction during drawing. Building the finite element modelling requires to perform a series of experimental tests in order to characterise the material mechanical behaviour and the friction between the tube and the forming tools (mandrel, die). The materials mechanical behaviour is characterized by means of tube tensile tests, tensile tests of oriented samples cut in different directions from flattened tubes and tube bulge test. For the latter, a tube bulge test device was specifically designed. Different aspects were covered by these tests: viscoplasticity, plastic anisotropy, materials properties heterogeneity in the tube thickness, thermomechanics. Friction coefficients were identified by inverse analysis on instrumented tube drawing tests. A specific drawing test was designed in order to identify the tube fracture during drawing by modifying the mandrel geometry. The goal of such test was to identify the tube formability limit. Among the different techniques available to predict tube failure, the approach of failure criterion was chosen. Different failure criteria that could be calibrated on tensile test were selected. Failure criteria were computed during the simulation of the mandrel tube drawing and they were evaluated in term of predictability of the maximum section and thickness reductions before fracture. Finally, analytical methods that enable to compute the drawing force were developed and compared with the finite element modelling.
Les tubes métalliques de précision sont largement utilisés pour des applications biomédicales. De tels tubes sont fabriqués par étirage à froid car ce procédé garanti le meilleur aspect de surface, le plus grand contrôle des dimensions du tube et le contrôle des propriétés mécaniques. L'objet de cette étude est de modéliser le procédé d'étirage de tube sur mandrin afin d'en améliorer la compréhension et de construire un outil permettant l'optimisation du procédé et de prédire la rupture des tubes en étirage. La construction du modèle élément finis s'appuie sur la réalisation d'essais expérimentaux afin de caractériser les propriétés mécaniques des matériaux et le frottement entre le tube et les outils d'étirage (mandrin, filière). Le comportement mécanique des alliages est caractérisé par des essais de traction sur tube, des essais de traction sur des éprouvettes découpées dans différentes orientations dans un tube déplié et des essais de gonflement de tube. Pour ces derniers, une machine et un outillage de gonflement de tubes ont été développés spécifiquement. Par le biais de ces essais différents aspects ont été étudiés : la viscoplasticité, l'anisotropie plastique, l'hétérogénéité des propriétés dans l'épaisseur du tube, la thermomécanique. Les coefficients de frottements ont été identifiés par analyse inverse sur des essais d'étirage instrumentés par des cellules d'effort. Des essais d'étirage ont été spécifiquement conçus en modifiant la géométrie du mandrin afin de conduire à la rupture des tubes lors de l'étirage. L'objectif de tels essais étant d'identifier la limite de formabilité des tubes. L'approche choisie pour prédire de la rupture a été d'utiliser des critères de ruptures qui pouvaient être calibrés sur des essais de traction uniquement. Les critères ont été calculés au cours de la simulation numérique de l'étirage sur mandrin et ils ont été évalués par rapport à leur capacité à prédire les réductions de section et d'épaisseur maximales. Enfin, des méthodes analytiques de calcul d'effort d'étirage ont été développées et comparées à la modélisation éléments finis.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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