Optimization of space applications adopting lattice micro-structures

This thesis has been carried out in collaboration with Thales Alenia Space, where I have done an internship of 12 months. The final goal is to obtain new performant light structures to be realized in Additive Manufacturing (AM), using both Topology Optimization (TO) of continuum structures and lattice structures. The necessity of more and more performing structures in many engineering fields, such as the aerospace and automotive industry, has bloosted a redefinition of classical layouts towards an efficient and optimal usage of the materials. In fact, the purpose of this work is to define the optimal design, even using lattice materials, by determining the best locations and geometries of cavities in the design domains. In more detail, we focus on applications in the aerospace field with particular interest to spacecraft equipments. This thesis is structured in four parts. The first one provides different topologies of lattice unit cells modeled and analyzed through finite element. This is done in order to predict the mechanical performance of various equivalent meta-materials (used like metal foams). A second part in which different lattice periodic specimens, using the best unit cells in terms of stiffness and strength, are manufactured through a selective laser melting process (SLM). A third part in which these specimens, realized using the aluminum alloy AlSi10Mg, are experimentally tested by tensile and compression tests. Finally a last part that involves, using a homogenized approach, through equivalent meta-materials (lattice materials) and topological optimization, the design of hybrid structures with the objective to be applied to the space equipment. This has been done in order to achieve lightweight structures, respecting all structural constraints and limitations in the space environment.

Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con Thales Alenia Space, presso la quale ho svolto uno stage di 12 mesi. L’obiettivo finale è la ricerca di performanti strutture leggere realizzate tramite Manifattura Additiva (AM), facendo uso dell’Ottimizzazione Topologica (TO) e di innovative strutture trabecolari (materiali in lattice). La necessità di avere sempre più strutture performanti in molti campi di applicazione ingegneristica, come nel settore aerospaziale ed in quello automotive, ha stimolato una ridefinizione dei classici layouts di design verso un utilizzo ottimale ed efficiente dei materiali. Infatti, lo scopo di questo lavoro è stato lo studio e l’elaborazione di un design ottimale. Ciò è stato raggiunto tramite l’impiego di materiali in lattice, determinando la migliore collocazione e topologia di tali micro-strutture all’interno del dominio suggerito dall’ottimizzazione topologica. In maggior dettaglio, ci si è focalizzati sull’applicazione di questo metodo al campo aerospaziale, con particolare interesse agli equipaggiamenti dei satelliti. La tesi è strutturata principalmente in quattro parti. La prima fornisce differenti topologie di celle unitarie in lattice, modellate ed analizzate attraverso elementi finiti. Ciò è stato svolto al fine di predirre le differenti prestazioni meccaniche di meta-materiali equivalenti (trattati come schiume metalliche). Una seconda parte in cui diversi provini di materiale lattice periodico, assemblati utilizzando le migliori celle in termini di rigidezza e di resistenza, sono stati prodotti attraverso la stampa 3D, utilizzando un processo di Selective Laser Melting (SLM). Una terza parte in cui tali provini, realizzati in lega di alluminio AlSi10Mg, sono stati testati sperimentalmente a trazione e compressione. Ed infine, un’ultima sezione che prevede l’impiego di queste strutture lattice, facendo uso di un approccio Omogeneizzato, per gli equipaggiamenti dei satelliti, al fine di individuare un design ibrido ottimale per tali applicazioni. La soluzione è stata raggiunta adoperando contemporaneamente sia l’ottimizzazione topologica che le strutture trabecolari precedentemente studiate. L’obiettivo finale desiderato è stato raggiunto tramite il design di nuove strutture leggere, nel rispetto di tutti i vincoli dell’ambiente spaziale.