Aerospace is one of the pioneering sectors for Additive Manufacturing (AM): lower costs and increased functionality are possible in this low rate, high complexity industry thanks to the implementation of such design and manufacturing tool. One of the main restrictions for Aerospace components is undoubtedly their limited mass-budget, together whit extreme requirements in terms of mechanical resistance. Exploiting AM capabilities, parts can be re-designed to the highest level of structural efficiency while minimizing weight. The scope of this thesis work is to design and experimentally validate the support structure for the Pumping System of the MicroMED instrument, part of the payload onboard the Surface Platform of the ExoMars 2020 Programme, established by the European Space Agency (ESA). Two alternate solutions, based on milling production and additive manufacturing, are identified and compared to assess benefits that AM may eventually bring with respect to a ‘traditional’ production route such as micro-milling. A detailed study on each design solution is performed by means of Finite Element Analyses (FEA). Aluminum alloys, AlSi10Mg and Al 7075 T6, respectively, are selected as target materials and cellular solids behavior is investigated. The thin-walled, honeycomb, additive component provides better performances than the micro-milled counterpart: even if the masses located for the components are similar, the presence of the lattice considerably stiffens the system. Moreover, lower stress maximum values are computed for the AM component, providing larger Margins of Safety for all the component structural verification analyses. The designed AM component is printed by Selective Laser Melting (SLM) technology and the manufactured mockup is tested in expected mechanical environment. Free Motion and Sweep Sine test are performed on the component to validate the model, whereas qualification tests are executed to verify its mechanical resistance.
Quello aerospaziale è uno dei settori pionieristici per l’Additive Manufacturing (AM): in questo settore caratterizzato da ridotti volumi produttivi e alta complessità è infatti possibile ottenere una riduzione dei costi e una maggiore efficienza strutturale per i componenti, grazie all’implementazione di uno strumento di progettazione e produzione quale è la produzione additiva. Uno dei principali vincoli nella progettazione di componenti aerospaziali è senza dubbio il peso limitato, insieme a requisiti estremi in termini di resistenza meccanica. Sfruttando le capacità dell’AM, le parti possono essere riprogettate al massimo livello di efficienza strutturale, contenendone quindi il peso. Lo scopo del presente lavoro di tesi è di progettare e validare sperimentalmente la struttura di supporto per il Sistema di Pompaggio dello strumento MicroMED, parte della strumentazione a bordo della Piattaforma di Superficie del programma ExoMars 2020, istituito dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Vengono identificate e confrontate due soluzioni, una microfresata e l’altra prodotta a mezzo di produzione additiva, per valutare i benefici che l’AM può consentire rispetto ad un processo di produzione ‘tradizionale’ come la microfresatura. La progettazione dettagliata di entrambe le alternative viene eseguita mediante l’Analisi ad Elementi Finiti (FEA). Per la realizzazione dei componenti sono selezionate due leghe di alluminio, Al 7075 T6 e AlSi10Mg rispettivamente; nell’ambito della progettazione per il componente additive, viene studiato il comportamento dei solidi cellulari. Il componente prodotto per Additive Manufacturing, caratterizzato da una struttura reticolare di tipo honeycomb di piccolo spessore, offre prestazioni migliori rispetto alla controparte microfresata: anche se le masse allocate per i componenti sono simili, la presenza del reticolo irrigidisce considerevolmente la struttura. Inoltre, i valori massimi di sforzo calcolati per questo componente sono inferiori rispetto alla soluzione fresata, con conseguenti Margini di Sicurezza (MoS) maggiori in tutte le analisi di verifica strutturale cui sono sottoposti componenti. Il componente Additive è quindi stampato con la tecnologia del Selective Laser Melting (SLM), e il prototipo viene testato in condizioni che rispecchiano le sollecitazioni dello strumento in opera. Sul componente vengono quindi eseguiti i test di moto libero e sweep sinusoidale, atti alla convalida del modello; i test finali di qualificazione vengono invece eseguiti per verificarne la resistenza meccanica.
Design and testing of a mounting bracket made by additive manufacturing for MicroMED instrument
BROCCHI, ELENA LUCIA
2017/2018
Abstract
Aerospace is one of the pioneering sectors for Additive Manufacturing (AM): lower costs and increased functionality are possible in this low rate, high complexity industry thanks to the implementation of such design and manufacturing tool. One of the main restrictions for Aerospace components is undoubtedly their limited mass-budget, together whit extreme requirements in terms of mechanical resistance. Exploiting AM capabilities, parts can be re-designed to the highest level of structural efficiency while minimizing weight. The scope of this thesis work is to design and experimentally validate the support structure for the Pumping System of the MicroMED instrument, part of the payload onboard the Surface Platform of the ExoMars 2020 Programme, established by the European Space Agency (ESA). Two alternate solutions, based on milling production and additive manufacturing, are identified and compared to assess benefits that AM may eventually bring with respect to a ‘traditional’ production route such as micro-milling. A detailed study on each design solution is performed by means of Finite Element Analyses (FEA). Aluminum alloys, AlSi10Mg and Al 7075 T6, respectively, are selected as target materials and cellular solids behavior is investigated. The thin-walled, honeycomb, additive component provides better performances than the micro-milled counterpart: even if the masses located for the components are similar, the presence of the lattice considerably stiffens the system. Moreover, lower stress maximum values are computed for the AM component, providing larger Margins of Safety for all the component structural verification analyses. The designed AM component is printed by Selective Laser Melting (SLM) technology and the manufactured mockup is tested in expected mechanical environment. Free Motion and Sweep Sine test are performed on the component to validate the model, whereas qualification tests are executed to verify its mechanical resistance.File | Dimensione | Formato | |
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