Design optimization of a Michelson interferometer arm

In the 2006-2009 period, Politecnico di Milano and Agenzia Spaciale Italiana designed the MIMA (Mars Infrared Mapper), a spectrometer used to explore the Martian surface. It was intended to be attached to an automatic rover’s mast and therefore, foresee harsh takeoff, landing and operating conditions. Due to the huge load and necessity to save weight, it was designed with the most advanced manufacturing processes and materials available. Unfortunately, it was later decommissioned and never took part in any mission. Now, there is a request for a new design, keeping its same geometry but being lighter, for a posterior mission of similar kind. Therefore, under the same statements as before, the manufacturing processes that yield the best strength/weight ratio and geometry flexibility must be used. Nowadays, this is metal Additive Manufacturing (AM), a fast-growing trend in the aerospace sector. The scope of this thesis work is then to redesign one of the MIMA’s parts, the pendulum arms, to have the minimum possible weight and to be produced by AM. Finite Element Analysis through ANSYS Mechanical is used for the dimensioning. For the choice of the materials, the most reliable commercially available materials are compared, being the stress relieved AlSi10Mg considered the most suitable for this design. Two different solutions to the problem were analyzed. One consists of a single pendulum arm redesign and compares many different geometry design procedures to reach the final version. A 37% mass reduction is achieved, and the design that is considered the best is done by topology optimization of the base geometry. The second merges both pendulum arms, making its assembly a single structure. This has many benefits, the main being the great reduction in the number of bolts and nuts required. It is designed only by topology optimization and the results show a mass reduction of 63% when compared with the mass of the pendulums assembly. However, it induces large displacements of the MIMA’s mirrors when assembled, which makes this design, at its actual state, unable to fulfill all requirements.

Tra il 2006 e il 2009 il Politecnico di Milano e l’Agenzia Spaziale Italiana hanno collaborato al design del MIMA (Mars Infrared Mapper), uno spettrometro utilizzato nell’analisi del suolo marziano. È stato progettato per essere agganciato ad un rover, deve quindi essere in grado di sopportare le fasi di decollo ed atterraggio, e condizioni di esercizio molto dure. A causa dei grandi carichi e del bisogno di pesare il meno possibile è stato progettato con materiali e tecnologie di ultima generazione. Sfortunatamente il progetto è stato abbandonato in corso d’opera e lo spettrometro non è mai stato utilizzato. Oggi ci viene richiesto lo stesso spettrometro, conservandone la geometria ma ancora più leggero, da utilizzare in una missione simile a quella originale. Ci troviamo a dover utilizzare tecnologie che consentano il maggior rapporto resistenza-peso e grande flessibilità nella geometria. Oggi questa tecnologia è l’Additive Manufacturing (AM), in grande crescita nel settore aerospaziale. Lo scopo di questa tesi è quello di riprogettare una parte specifica del MIMA, le “pendulum arms”, minimizzandone il peso e utilizzando l’AM. Per il dimesionamento del pezzo abbiamo utilizzato il Metodo degli Elementi Finiti su ANSYS Mechanical. Per la scelta del materiale sono stati presi in considerazione quelli più affidabili. Viste le condizioni operative, la scelta è ricaduta sulla lega di Alluminio AlSi10Mg, che viene quindi considerato il più adatto al progetto. Sono state analizzate due diverse soluzioni al problema. La prima consiste nella riprogettazione di uno dei due “pendulum arm”. Sono stati comparati diversi metodi di progettazione per raggiungere la forma finale. Si è ottenuta una riduzione di peso di 37%, la tecnica migliore è una versione ottenutta con l’ottimizzazione topologica della geometria di base. La seconda unisce i due bracci per creare una struttura unica. Questa geometria ha molti vantaggi, il più significativo è la diminuzione del numero di bulloni e viti necessari. Viene progettato utilizzando esclusivamente l’ottimizzazione topologica ed i risultati mostrano una riduzione del peso di 63% se comparata alla massa originale. Tuttavia questa soluzione genera un dislocamento non trascurabile degli specchi del MIMA, questa problematica rende la seconda geometria inadatta.