Design and testing of a 3D printed holding system for a quartz crystal microbalance for space

Aim of the thesis is the design, manufacturing and testing of the holding system for a quartz crystal microbalance. The main purpose of this system is to hold, protect and guarantee correct working of the quartz crystals used for thermogravimetric measurements in space applications, which are characterized by extreme working mechanical and thermal environments. The actual design of the holding system is based on aluminum alloy 7000 and requires the manufacturing of a kinematic system, providing mechanical resistance for the launch phases and adequate compliance due to temperature variation. The manufacturing of the holding system requires different mechanical processes and complex assembling operations, as an instance to guarantee the electrical contacts required for monitoring and conditioning of the microbalances. Both the phases can be simplified and made faster using stereolithography, a technology that would allow a time saving and complexity reduction during the assembling phase. Moreover, an advantage of the selected technology with the others additive technologies is the possibility to obtain adequate spatial resolutions, in the order of hundredths of a millimeter. Thus, innovative aspect of the following study concerns the verification of the feasibility of the holding system design using the stereolithography, facing some challenging requirements related to the intended application, i.e. the mechanical resistance and proper working in the expected mechanical and thermal environments. The latter is extended down to the expected liquid nitrogen temperature. In the first phase of the project, the feasibility study provides a solution coping with all the design requirements. In the second phase of the study, detailed design of the system is described. All the components required for the holding system have been identified. In particular, different finite element models of the holding structures have been developed and the design has been guided and verified by means of numerical analyses addressing mechanical stiffness properties of the holder, dynamic behaviour of the main sub-assemblies and mechanical resistance in the expected working conditions. A prototype of the holding system has been manufactured and related characteristics have been checked by proper testing activities. Finally, in order to validate the performed design an experimental characterization of the manufactured prototype of the holding system has been performed in expected mechanical and thermal environments.

L’ obiettivo della tesi è la progettazione, la realizzazione e la verifica di un sistema di montaggio per una microbilancia a cristalli di quarzo. Lo scopo principale di tale sistema è quello di mantenere in posizione, proteggere e garantire il corretto funzionamento dei cristalli di quarzo che sono utilizzati per misure termogravimetriche in applicazioni spaziali, condizioni in cui i cristalli sono sottoposti ad elevati carichi di lancio e devono lavorare in campi di temperatura estremi. Attualmente il materiale utilizzato per la realizzazione del sistema di holding delle microbilance è una lega di alluminio 7000 che richiede la realizzazione di una geometria che garantisca un montaggio cinematico aventi caratteristiche di elevata rigidezza per le fasi di lancio e adeguata cedevolezza in temperatura. La realizzazione di tale sistema di montaggio richiede differenti operazioni meccaniche di precisione ed operazioni di assemblaggio complesse, in primo luogo per garantire le contattature elettriche necessarie al controllo e condizionamento delle microbilance. Entrambi le fasi di realizzazione ed assemblaggio possono essere semplificate in termini di complessità e ridotte in termini di tempo utilizzando la stampa in stereolitografia, tecnica realizzativa che consente di realizzare la geometria del sistema di montaggio in un unico processo. Inoltre, un vantaggio importante legato a tale tecnologia realizzativa rispetto ad altre tecnologie di produzione additiva è la possibilità di ottenere risoluzioni spaziali adeguate, necessarie per l’accuratezza richiesta nell’applicazione di interesse. L’ aspetto innovativo del seguente studio riguarda quindi lo studio di fattibilità dell’utilizzo di tale tecnologia per l’applicazione di interesse e la progettazione di un sistema di montaggio basato su tale tecnologia tal da garantire la resistenza ai carichi di lancio attesi e il corretto funzionamento dello strumento nel campo di temperature di funzionamento, esteso fino alla temperatura dell’azoto liquido. Nella prima fase del progetto lo studio di fattibilità considera tutti i requisiti di progettazione fornendo una soluzione adeguata al problema. In una seconda fase si fornisce lo studio di dettaglio del sistema, il quale ha garantito la definizione di tutti i particolari che compongono il sistema di montaggio. In particolare, si sono sviluppati modelli ad elementi finiti per verificare la progettazione del sistema attraverso analisi numeriche volte all’identificazione delle rigidezze del sistema di supporto, delle frequenze proprie e relativi modi di vibrare e lo stato di sforzo atteso nelle diverse condizioni di funzionamento. Un prototipo del sistema di montaggio è stato quindi realizzato e alcune carrateristiche meccaniche e di funzionalità dei componenti realizzati sono state verificate con attività sperimentale. Infine, a validazione dei modelli numerici realizzati e come completamento dell’attività svolta, si riportano i risultati della caratterizzazione sperimentale del prototipo del sistema di montaggio nelle condizioni di temperatura e di vibrazioni attese durante le fasi di lancio.