FEM simulation of non-traditional extrusion and tube drawing processes

In materials forming processes, the use of simulations is considered a powerful numerical tool for design and research in industry. The finite element software Forge® has been used in this work to simulate two processes: extrusion and tube sinking. The importance of analysis for extrusion or drawing process lies in the determination of forming load, flow characteristics and state of stress and strain. From such information the necessary design specifications and data can be obtained for the design of dies and die setup etc. Eventually the material properties of products can be controlled effectively. The present study is divided into two parts. The first part focuses on the determination of material parameters of Hansel-Spittel law for an extrusion based additive manufacturing process through FE simulation. Multiple number of extrusion simulations were carried out to understand the influence of each individual parameter. After that the most appropriate combination of the material parameters was chosen which could bring the pressure measured by simulations closest to the pressure measured experimentally in the EFeSTO machine in AddMe lab at Politecnico di Milano. And finally, several simulations were run for various temperatures of barrel and the speeds of the upper die to see if the same material parameters can predict the pressure correctly for other cases too. The second part of this study focuses on simulating a tube sinking process which is used for making painless hypodermic needles having micro dimensions and ultra-thin walls at Artsana Group S.p.A. The aim of this work was to simulate the drawing process and collect data in order to understand better the tube sinking process under practice at Artsana Group S.p.A. production line for the painless hypodermic needles. In order be able to predict the material behaviour through FE simulation. Tube drawing process for the first three dies out of a total fifteen dies was simulated and material used for the tube was AISI 305. Several die angles, reduction ratios and friction coefficients were used to understand their influence on forces on dies, final tube thickness and stresses. Finally, results were compared with the experimental data to confirm the validity of the FE model.

Nei processi di formatura dei materiali, l'uso delle simulazioni è considerato un potente strumento numerico per la progettazione e la ricerca nell'industria. Il software ad elementi finiti Forge® è stato utilizzato in questo lavoro per simulare due processi: estrusione e affondamento di tubi. L'importanza dell'analisi per il processo di estrusione o disegno sta nella determinazione del carico di formatura, delle caratteristiche di flusso e dello stato di sollecitazione e deformazione. Da tali informazioni è possibile ottenere le specifiche e i dati di progettazione necessari per la progettazione di stampi e configurazione di stampi ecc. Alla fine, le proprietà dei materiali dei prodotti possono essere controllate in modo efficace. Il presente studio è diviso in due parti. La prima parte si concentra sulla determinazione dei parametri materiali della legge Hansel-Spittel per un processo di produzione additiva basato sull'estrusione attraverso la simulazione FE. Numerose simulazioni di estrusione sono state eseguite per comprendere l'influenza di ogni singolo parametro. Successivamente è stata scelta la combinazione più appropriata dei parametri del materiale che potrebbe portare la pressione misurata da simulazioni più vicine alla pressione misurata sperimentalmente nella macchina EFeSTO nel laboratorio AddMe del Politecnico di Milano. Infine, sono state eseguite diverse simulazioni per varie temperature della canna e le velocità della parte superiore muoiono per vedere se gli stessi parametri del materiale possono prevedere correttamente la pressione anche in altri casi. La seconda parte di questo studio si concentra sulla simulazione di un processo di affondamento del tubo che viene utilizzato per realizzare aghi ipodermici indolori con micro dimensioni e pareti ultrasottili presso Artsana Group SpA Lo scopo di questo lavoro era di simulare il processo di disegno e raccogliere dati al fine di comprendere meglio il processo di affondamento del tubo in pratica presso la linea di produzione Artsana Group SpA per gli aghi ipodermici indolori. Per essere in grado di prevedere il comportamento del materiale attraverso la simulazione FE. È stato simulato il processo di trafilatura dei tubi per i primi tre stampi su un totale di quindici stampi e il materiale utilizzato per il tubo era AISI 305. Sono stati utilizzati diversi angoli, rapporti di riduzione e coefficienti di attrito per comprendere la loro influenza sulle forze su stampi, spessore finale del tubo e sollecitazioni. Infine, i risultati sono stati confrontati con i dati sperimentali per confermare la validità del modello FE.