Development of a 3D Printing Technique for Photo-Initiated Solid Propellants

In recent years, additive manufacturing (AM) has gained significant advancement in numerous industrial sectors, primarily due to its enhanced positive aspects over conventional manufacturing processes and the last continuous reduction trend in costs. However, the exploration of polymer-bound energetic materials remains relatively untouched. Traditional methods for producing solid propellants rely heavily on casting, locking grain geometries to the shape of the mandrel, thereby restricting the range of possible configurations. This limitation prompted investigations into the application of AM for solid propellants in space systems. However, the extrusion and deposition methods used for jam-like propellants yielded little to no innovation within the field. This stagnation was primarily attributed to the unsuitability of conventional binders, which exhibit slow curing rates through polyaddition with isocyanates. Traditional binders were unsuited for additive manufacturing due to their slow polyaddition curing with isocyanates, the development of a new binder with a faster and distinct curing mechanism became essential. The breakthrough came with the introduction of UV light for initiating polybutadiene chain reaction polymerization. The adoption of this innovative UV photo-reticulation technique for additive manufacturing brought numerous advantages, including increased flexibility in geometric configurations, reduced manufacturing time, and lowered risks compared to conventional approaches. In the presented work, the fabrication process, the validation and testing for an additive manufacturing equipment for UV-curable propellants is presented. Initially opting for a screw-type extruder, challenges arose due to high shear forces and particle entrapment. As a result, a piston-based architecture was adopted. This featured a custom-modified steel syringe connected to a threaded rod and actuated by a stepper motor. After refining the design, the extruder was integrated into a commercial 3D printer, with the addition of UV LEDs in a scanner-like configuration for crosslinking. Propellant extrusion tests revealed positive results for mixtures with solid particle fractions up to 65%, limit imposed by viscosity and friction.

Negli ultimi anni, la manifattura addittiva ha fatto enormi progressi in vari settori industriali, principalmente grazie ai vantaggi che offre rispetto ai processi tradizionali e alla continua riduzione dei costi. Tuttavia, l'utilizzo di materiali polimerici ad alto contenuto energetico è rimasto in larga parte inesplorato. I metodi tradizionali per la produzione di propellenti solidi si basano principalmente sul casting, un processo che lega la forma del grano alla geometria del mandrino. Questa limitazione ha spinto alla ricerca di nuovi modi di utilizzo della manifattura addittiva per la produzione di propellenti in ambito spaziale. Tuttavia, i metodi di estrusione e deposizione utilizzati per propellenti a consistenza viscosa non hanno portato a molte innovazioni. Questa mancanza di progressi è stata principalmente causata dalla difficoltà di utilizzare leganti tradizionali, che induriscono lentamente attraverso una reazione di poliaddizione con isocianati. L'introduzione della luce UV per avviare la polimerizzazione del polibutadiene, ha risolto questa problematica, in quanto ha introdotto un meccanismo di reticolazione più veloce e immediato. L'adozione di questa innovativa tecnica di fotoreticolazione UV nella stampa 3D ha portato a numerosi vantaggi, tra cui una maggiore flessibilità nelle geometrie dei grani, una riduzione dei tempi di produzione e minori rischi rispetto ai metodi convenzionali. Nel lavoro presentato, viene illustrato il processo di fabbricazione, la validazione e i test per un apparato di stampa 3D per propellenti fotosensibili. Inizialmente è stato sviluppato un estrusore a vite, ma questa tipologia è stata scartata a causa degli elevati sforzi di taglio. Di conseguenza, è stata adottata un'architettura basata su pistone, in particolare una siringa in acciaio modificata su misura collegata a una barra filettata e azionata da un motore passo-passo. Dopo il perfezionamento del design, l'estrusore è stato integrato in una stampante 3D commerciale, con l'aggiunta di LED UV per la reticolazione. I test di estrusione del propellente hanno mostrato risultati positivi per miscele con frazioni di particelle solide fino al 65%, limite imposto dall'eccessiva viscosità e dall'attrito. Questa limitazione ha spinto alla ricerca di nuovi modi di utilizzo della manifattura addittiva per la produzione di propellenti in ambito spaziale. Tuttavia, i metodi di estrusione e deposizione utilizzati per propellenti a consistenza viscosa non hanno portato a molte innovazioni. Questa mancanza di progressi è stata principalmente causata dalla difficoltà di utilizzare leganti tradizionali, che induriscono lentamente attraverso una reazione di poliaddizione con isocianati. L'introduzione della luce UV per avviare la polimerizzazione del polibutadiene, ha risolto questa problematica, in quanto ha introdotto un meccanismo di reticolazione più veloce e immediato. L'adozione di questa innovativa tecnica di fotoreticolazione UV nella stampa 3D ha portato a numerosi vantaggi, tra cui una maggiore flessibilità nelle geometrie dei grani, una riduzione dei tempi di produzione e minori rischi rispetto ai metodi convenzionali. Nel lavoro presentato, viene illustrato il processo di fabbricazione, la validazione e i test per un apparato di stampa 3D per propellenti fotosensibili. Inizialmente è stato sviluppato un estrusore a vite, ma questa tipologia è stata scartata a causa degli elevati sforzi di taglio. Di conseguenza, è stata adottata un'architettura basata su pistone, in particolare una siringa in acciaio modificata su misura collegata a una barra filettata e azionata da un motore passo-passo. Dopo il perfezionamento del design, l'estrusore è stato integrato in una stampante 3D commerciale, con l'aggiunta di LED UV per la reticolazione. I test di estrusione del propellente hanno mostrato risultati positivi per miscele con frazioni di particelle solide fino al 65%, limite imposto dal'eccessiva viscosità e dall'attrito.