Additive Manufacturing (AM) is an emerging technology able to produce customized and high complex geometries, and, together with optimization procedures, it enables the manufacturing of innovative functional solutions. In the Space industry, AM is commonly used to produce light-weighting, reliable, and performant components in a short time. In this context, the increasing interest in the realization of large commercial constellations of small satellites, like CubeSats, can benefit from AM technologies capability. In this thesis work, the 1U CubeSat primary structure is optimized and redesigned according to Design for Additive Manufacturing (DfAM) guidelines to produce a single-piece structure, easy to assemble and fast to produce. The optimization procedure applied is delineated and divided into two phases: topology and lattice optimization. The method is applied to a simple case to understand the dependence on different optimization constraints and parameters and successively implemented to optimized and design the CubeSat panels. The lattice, instead, is exploited as an infill to reduce the overall mass of the structure. The consolidation of the parts into a single-one implicates the integration in the structure of hinge mechanisms and locking features. To this purpose, several methods are investigated and printed in plastic material, ASA, with the Fused Deposition Modeling (FDM) technique, to verify their manufacturability and applicability. A comparison between the dimension of the print and the CAD model enables to gain a better insight into the FDM accuracy and to delineate additional design rules to be included in the structure model. Then, the CubeSat structure is designed considering the topology optimization output and the resulting design rules. The numerical analysis points out that the CubeSat can withstand the launch environment with a margin to further optimize it.

La manifattura additiva, o Additive Manufacturing (AM), è una tecnologia emergente in grado di produrre geometrie personalizzate e altamente complesse e, insieme a procedure di ottimizzazione, consente la produzione di soluzioni funzionali e innovative. Nell’Industria Spaziale, l'AM è comunemente usato per produrre componenti leggeri, affidabili e performanti in breve tempo. In questo contesto, il crescente interesse per la realizzazione di costellazioni di piccoli satelliti, come i CubeSats, può beneficiare delle capacità delle tecnologie AM. In questa tesi, la struttura primaria di un 1U CubeSat è stata ottimizzata e riprogettata secondo le linee guida del Design for Additive Manufacturing (DfAM) per ottenere una struttura monoblocco, facile da montare e veloce da produrre. La procedura di ottimizzazione applicata è suddivisa in due fasi: ottimizzazione topologica e reticolare. Tale metodo è poi applicato a un caso semplice per comprenderne la dipendenza da diversi vincoli e parametri di ottimizzazione, e successivamente implementato per ottimizzare e progettare i pannelli del CubeSat. Il materiale trabecolare, invece, viene impiegato come riempitivo per ridurre la massa complessiva della struttura. La riduzione di più parti in un unico blocco implica l'integrazione nella struttura di cerniere e di sistemi di bloccaggio. A tal fine, sono stati considerati diversi metodi e poi stampati in materiale plastico, ASA, con la modellazione a deposizione fusa (FDM), per verificarne la qualità di stampa e l'applicabilità. Un confronto tra il pezzo stampato e il modello CAD ha consentito di testare l'accuratezza del FDM e di delineare regole aggiuntive di progettazione da includere nel modello della struttura. La struttura del CubeSat è stata poi riprogettata basandosi sui risultati dell’ottimizzazione topologica e sulle regole di progettazione definite in precedenza. L'analisi numerica ha infine evidenziato che la struttura è in grado di resistere ai carichi presenti in fase di lancio e si è evidenziato un margine che permette un’ulteriore ottimizzazione.

Optimization and additive manufacturing of a single-piece 1U CubeSat primary structure

Dell'Acqua, Martina
2020/2021

Abstract

Additive Manufacturing (AM) is an emerging technology able to produce customized and high complex geometries, and, together with optimization procedures, it enables the manufacturing of innovative functional solutions. In the Space industry, AM is commonly used to produce light-weighting, reliable, and performant components in a short time. In this context, the increasing interest in the realization of large commercial constellations of small satellites, like CubeSats, can benefit from AM technologies capability. In this thesis work, the 1U CubeSat primary structure is optimized and redesigned according to Design for Additive Manufacturing (DfAM) guidelines to produce a single-piece structure, easy to assemble and fast to produce. The optimization procedure applied is delineated and divided into two phases: topology and lattice optimization. The method is applied to a simple case to understand the dependence on different optimization constraints and parameters and successively implemented to optimized and design the CubeSat panels. The lattice, instead, is exploited as an infill to reduce the overall mass of the structure. The consolidation of the parts into a single-one implicates the integration in the structure of hinge mechanisms and locking features. To this purpose, several methods are investigated and printed in plastic material, ASA, with the Fused Deposition Modeling (FDM) technique, to verify their manufacturability and applicability. A comparison between the dimension of the print and the CAD model enables to gain a better insight into the FDM accuracy and to delineate additional design rules to be included in the structure model. Then, the CubeSat structure is designed considering the topology optimization output and the resulting design rules. The numerical analysis points out that the CubeSat can withstand the launch environment with a margin to further optimize it.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-dic-2020
2020/2021
La manifattura additiva, o Additive Manufacturing (AM), è una tecnologia emergente in grado di produrre geometrie personalizzate e altamente complesse e, insieme a procedure di ottimizzazione, consente la produzione di soluzioni funzionali e innovative. Nell’Industria Spaziale, l'AM è comunemente usato per produrre componenti leggeri, affidabili e performanti in breve tempo. In questo contesto, il crescente interesse per la realizzazione di costellazioni di piccoli satelliti, come i CubeSats, può beneficiare delle capacità delle tecnologie AM. In questa tesi, la struttura primaria di un 1U CubeSat è stata ottimizzata e riprogettata secondo le linee guida del Design for Additive Manufacturing (DfAM) per ottenere una struttura monoblocco, facile da montare e veloce da produrre. La procedura di ottimizzazione applicata è suddivisa in due fasi: ottimizzazione topologica e reticolare. Tale metodo è poi applicato a un caso semplice per comprenderne la dipendenza da diversi vincoli e parametri di ottimizzazione, e successivamente implementato per ottimizzare e progettare i pannelli del CubeSat. Il materiale trabecolare, invece, viene impiegato come riempitivo per ridurre la massa complessiva della struttura. La riduzione di più parti in un unico blocco implica l'integrazione nella struttura di cerniere e di sistemi di bloccaggio. A tal fine, sono stati considerati diversi metodi e poi stampati in materiale plastico, ASA, con la modellazione a deposizione fusa (FDM), per verificarne la qualità di stampa e l'applicabilità. Un confronto tra il pezzo stampato e il modello CAD ha consentito di testare l'accuratezza del FDM e di delineare regole aggiuntive di progettazione da includere nel modello della struttura. La struttura del CubeSat è stata poi riprogettata basandosi sui risultati dell’ottimizzazione topologica e sulle regole di progettazione definite in precedenza. L'analisi numerica ha infine evidenziato che la struttura è in grado di resistere ai carichi presenti in fase di lancio e si è evidenziato un margine che permette un’ulteriore ottimizzazione.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/170237