Mechanical and ballistic properties enhancement of paraffin-based fuel grains : an innovative strategy based on additive manufacturing

Hybrid rocket engines (HREs) feature attractive characteristics offering increased performance joined with cost and environmental impact reductions. The development of efficient high thrust HREs requires the exploitation of liquefying fuels as paraffin waxes. These solid fuels present high regression rate, but poor mechanical properties. In particular, the paraffin wax fragility and low strength make the fuel grain unsuitable to withstand launch loads. Research for the reinforcement of paraffin-based fuels mechanical properties is currently ongoing at international level. Improved mechanical features is usually obtained through the paraffin blending with polymers that, as a drawback, reduces the entrainment with a subsequent loss of regression rate. The aim of this work is to enhance the mechanical and ballistic properties of a microcrystalline paraffin wax (W1) by an innovative and original approach. The reinforcement strategy consists in the insertion of a 3D-printed cellular structure in the paraffin grain. This is named armored grain. The structure provides fuel grain mechanical properties without altering the melt paraffin viscosity. The investigated cellular structure is the gyroid. It was printed in Polylactic acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and Nylon at relative densities (ρ) from 7% to 25%. The mechanical properties of the gyroids and of the armored grains were characterized by compression tests (1 mm/min, ambient temperature) according to the ISO 604 standard. The same characterization was performed on the W1 formulation that is taken as the baseline for the relative grading of the mechanical performance of the armored grains. The compressive yield stress and strain are monotonically enhanced by the presence of denser gyroid lattices, while the Young moduli results comparable or reduced (- 20%). For ABS and Nylon armored grains (ρ ≈ 15%), the paraffin mechanical behavior is changed from fragile to ductile. These two reinforcing materials promotes the compressive yield strain enhancement over the baseline of 213% and 294% respectively. Paraffin grains reinforced by PLA structures behave differently featuring a post-yield softening and smaller yield strains. Nevertheless, the highest compressive yield stress (+ 60% over W1) was registered for PLA armored grains with ρ ≈ 15%. Finite element analyses were performed on the gyroid structure to predict the mechanical properties and scaling laws. Despite a general overestimation, the simulations estimate the order of magnitude of the gyroid properties and capture the scaled properties of the lattice. The ballistic response of armored grains was evaluated at lab-scale level taking W1 as the baseline formulation. Under the investigated conditions (gaseous oxygen, average oxidizer mass flux of 125 kg/m^2/s), the armored grains feature a percent regression rate enhancement over the baseline ranging from 51% to 74%. This result highlights the opportunities disclosed by the reinforcing strategy. Paraffin fuel reinforcement is achieved without entrainment reduction and improving the regression rate thanks to an increased surface roughness created by the burning reinforcing structure.

I sistemi a propulsione ibrida offrono un aumento di prestazione insieme alla riduzione dei costi e dell’impatto ambientale. Lo sviluppo di motori efficienti ed in grado di sviluppare spinte elevate è legato all'impiego di combustibili, detti liquefying fuels, quali le cere paraffiniche. Per loro natura, questi combustibili presentano alti ratei di regressione ma scarse proprietà meccaniche. In particolare, la fragilità e la bassa resistenza delle cere paraffiniche le rendono inadatte ad applicazioni, quali grandi lanciatori. Metodi di rinforzo delle paraffine sono attualmente oggetto di studi a livello internazionale. Il miglioramento delle proprietà meccaniche è solitamente ottenuto tramite la miscelazione con polimeri. Ciò riduce l’espulsione di gocce di combustibile fuso (entrainment) con una conseguente riduzione del rateo di regressione. Lo scopo di questo studio è il miglioramento meccanico e balistico di una cera paraffinica microcristallina (W1) tramite un approccio innovativo. La strategia di rinforzo consiste nell'inserimento di una struttura cellulare stampata in 3D all'interno del grano di paraffina. Il grano così ottenuto è chiamato grano armato. La struttura è pensata per provvedere al rinforzo strutturale senza alterare la viscosità della paraffina fusa. La struttura cellulare investigata è il giroide che è stato stampato in acido polilattico (PLA), in acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e Nylon, a densità relative (ρ) dal 7% al 25%. Giroidi e grani armati sono stati testati a compressione (1 mm/min, temperatura ambiente) secondo lo standard ISO 604. La stessa caratterizzazione è stata eseguita sulla formulazione W1, le cui proprietà sono state prese come riferimento. Lo sforzo e la deformazione a snervamento per compressione aumentano monotonicamente con l’impiego di giroidi più densi, mentre il modulo di Young ne risulta paragonabile o ridotto (- 20%). I grani armati in ABS e Nylon (ρ ≈ 15%) risultano duttili invece che fragili. Inoltre, questi due materiali di rinforzo portano rispettivamente ad un incremento della deformazione a snervamento del 231% e del 294%. I grani rinforzati tramite reticoli in PLA manifestano un comportamento diverso, caratterizzato da un rammollimento post-snervamento e minori deformazioni. Ciononostante, il maggiore sforzo a snervamento registrato (+ 60% rispetto a W1) è stato ottenuto tramite un giroide in PLA con ρ ≈ 15%. Un’analisi ad elementi finiti è stata eseguita sul giroide per predirne le proprietà meccaniche ed identificarne la scalabilità rispetto a ρ. Nonostante una generale sovrastima, le simulazioni riescono a stimare l’ordine di grandezza delle proprietà meccaniche ed a catturarne i valori scalati. Le proprietà balistiche dei grani armati sono state studiate in un motore in scala, prendendo come riferimento la formulazione W1. Nelle condizioni operative investigate (ossigeno gassoso con un flusso di massa di 125 kg/m^2/s), i grani armati presentano un aumento percentuale del rateo di regressione tra il 51% e il 74%, rispetto alla cera paraffinica in esame. Questo risultato evidenzia i vantaggi della strategia implementata. Non solo il rinforzo di grani a base paraffinica è ottenuto senza riduzione dell’entrainment: bensì la tecnica porta ad un aumento del rateo di regressione dovuto alle rugosità superficiali generate dalla combustione della struttura di rinforzo.