Additively manufactured lattice structures for space applications : part quality and functional performance characterization

Metal Additive Manufacturing (AM) solutions are gaining increasing interest in the field of technological innovation because of their capacity to create lightweight structures characterized by complex geometries and good mechanical properties. However, the industrial development of these technologies is still limited by issues in terms of reliability, repeatability and economical sustainability. Among the others, an industrial sector which is pulling the market of metal AM is the aerospace one, where the high complexity that can be reached in structures at lower weight and costs is going to change the traditional production paradigm and pave the way to new solutions. To some extent it could be said that the increasing complexity reachable through additive manufacturing is boosting towards higher ambitions and more complex objectives in the fields of industrial production, research and exploration. A tangible example of such product complexity that enables several functional benefits but prevents from the use of traditional manufacturing methods consists of lattice structures, i.e., regular trabecular geometries. In the recent years, aerospace industry started to consider the particularly attractive properties of lattice structures for design and development of structural components. This thesis has been carried out in the framework of a collaboration between Politecnico di Milano and Thales Alenia Space. The goal consists of investigating space applications of lattice structures from a part quality and performance characterization perspective. First, a review of the reference literature on typical defects of additively produced parts in general, and lattice structures in particular, is presented. Then, an experimental study is described and discussed, which involved the production of different lattice configurations via Selective Laser Melting (SLM). Quality and mechanical properties of lattice specimens were investigated by means of both non-destructive and destructive tests, in order to determine: i) how cell properties affect the quality of the produced part (i.e., deviation between as-printed parts and nominal models) and its mechanical performances, and ii) how geometrical deviations from the nominal model affect final performances. Moreover, the thesis presents a first attempt to enclose quality related issue into Finite Element Methods (FEM)-based predictions of mechanical properties to enable a defect-tolerant design of advanced space structures. The production of crushable lightweight lattice panels for impact absorption for space exploration landers represents the real case application that motivated the study and defined the requirements for the experimental activity.

Nell’ambito dell’innovazione tecnologica sta aumentando sempre più l’interesse verso soluzioni di tecnologie additive (additive manufacturing) applicate alla produzione con materiali metallici. Questo è dovuto alla loro capacità di creare strutture leggere caratterizzate da geometrie complesse e buone proprietà meccaniche. Tuttavia lo sviluppo industriale di queste tecnologie è ancora limitato da problematiche legate ad aspetti di affidabilità, ripetibilità e sostenibilità economica. Tra tutti, il settore trainante nel mercato delle tecnologie additive è quello aerospaziale, in cui la grande complessità che può essere raggiunta in strutture a basso peso e con costi contenuti è destinata a trasformare il paradigma della produzione tradizionale e spianare la strada verso nuove soluzioni. In una certa misura si potrebbe dire che la crescente complessità raggiungibile attraverso le tecnologie additive sta spingendo l’uomo verso maggiori ambizioni e obiettivi più complessi nei campi della produzione industriale, della ricerca e dell’esplorazione. Esempio tangibile di tale complessità che rende possibili benefici funzionali altrimenti non raggiungibili dall’utilizzo di tecnologie tradizionali è quello delle strutture lattice, ovvero strutture trabecolari regolari. Negli ultimi anni l’industria aerospaziale ha iniziato a considerare le particolari proprietà delle strutture lattice per la progettazione e lo sviluppo di componenti strutturali. Questa tesi è stata svolta nel contesto di una collaborazione tra il Politecnico di Milano e Thales Alenia Space. Gli obiettivi consistono nell’analisi di applicazioni spaziali per strutture lattice dai punti di vista della qualità del pezzo e della caratterizzazione delle performance meccaniche. La prima parte del documento presenta una rassegna della letteratura di riferimento che affronta il tema dei difetti tipici di parti prodotte tramite tecnologie additive in generale, ed in particolare di strutture lattice. In seguito viene descritto e discusso uno studio sperimentale che considera la produzione di diverse configurazioni di strutture lattice tramite Selective Laser Melting (SLM). La qualità e le proprietà meccaniche dei provini in lattice sono analizzate tramite test distruttivi e non, al fine di determinare: i) come le proprietà della cella influenzano la qualità dei pezzi prodotti e le loro proprietà meccaniche e ii) come le deviazioni geometriche dal modello nominale influenzano le proprietà finali. Infine, la tesi presenta un primo tentativo di includere problematiche relative alla qualità del pezzo all’interno di simulazioni basate su Metodi agli Elementi Finiti (FEM) al fine di poter predire le proprietà meccaniche e permettere un progettazione “con tolleranza ai difetti” per strutture spaziali avanzate. La produzione di pannelli lattice molto leggeri finalizzati all’assorbimento di urti durante l’impatto di landers per missioni di esplorazione spaziale rappresenta il caso di applicazione reale che ha motivato lo studio e definito i requisiti per l’attività sperimentale.