Design optimization and additive manufacturing of air nozzles

In the last years, the Italian company "BluElettro" designed and developed an industrial machine, called "AeroBrush", in order to simplify the removal process and improve the quality of elastomeric injection molded parts. This machine, that at the actual state is a prototype, features multiple rows of air-blowing devices, or nozzles, in order to provide the required material removal on the target by the action of the produced impinging jet. The scope of this thesis work is, then, the redesign and improvement of the performances of these air nozzles, with the objective of producing them by Addictive Manufacturing technologies for polymeric materials. Thanks to the expertise of the company "Additive Italia" in the field of generative design, two of the most advanced processes in this field are analyzed and compared in order to select the best one for our purposes. An extensive use of a test bench and of Computational Fluid Dynamic simulations is done in order to evaluate and improve the performances of the standard, industrial, air nozzle initially considered. Multiple optimized designs of the latter are produced and analyzed: to different degrees, they all allow for an increase in the performances of interest while remarkably reducing part's weight and purchasing price. Finally, the best design, is selected and employed directly in the "AeroBrush" prototype in order to perform some tests in an industrial real case scenario. These tests display a good material removal capability of the nozzle, but some reliability issues of the system as a whole arise: further investigations are therefore required.

Negli ultimi anni, l'azienda Italiana "BluElettro" ha progettato e sviluppato un macchinario industriale, chiamato "AeroSpazzola", al fine di semplificare il processo di rimozione e migliorare la qualità delle parti in materiale elastomerico ottenute per stampaggio ad iniezione. Questo macchinario, che attualmente si trova in fase prototipale, è composto da molteplici file di dispositivi atti all'emissione di aria, o ugelli, impiegati al fine di produrre un'adeguata rimozione di materiale sull'obiettivo attraverso l'impatto di un getto d'aria. Lo scopo di questa tesi è, quindi, la riprogettazione e il miglioramento delle prestazioni di questi ugelli ad aria, con l'obiettivo di realizzarli attraverso tecnologie di produzione additiva per materiali polimerici. Grazie all'esperienza dell'azienda "Additive Italia" nel campo della progettazione generativa, due dei processi più avanzati in questo ambito sono analizzati e confrontati con lo scopo di selezionare il migliore per i nostri scopi. Viene fatto un utilizzo estensivo di un banco prova e di simulazioni fluido-dinamiche in modo da valutare e migliorare le prestazioni dell'ugello industriale standard inizialmente considerato. Molteplici versioni ottimizzate di quest'ultimo sono realizzate e analizzate: ognuna di esse, anche se in maniera differente, permette di ottenere un miglioramento delle prestazioni di interesse diminuendo, allo stesso tempo, notevolmente il peso e il costo di acquisto dei componenti. In conclusione, il design migliore, è selezionato ed impiegato direttamente sul prototipo di "AeroSpazzola" al fine di effettuare alcune prove in uno scenario reale di produzione industriale. Queste prove mostrano una buona capacità di rimozione di materiale da parte degli ugelli, ma fanno emergere alcune problematiche di affidabilità del macchinario nel suo complesso: ulteriori investigazioni sono pertanto necessarie.