Development of a 3D printer for photocured composite propellants with high solid loadings

Additive manufacturing techniques have become highly significant in numerous industries, by having a low cost, wide versatility and modeling freedom. They can also be applied to producing grains for solid rocket propulsion, substituting standard manufacturing which uses a casting process in high-temperature ovens, and where the geometry of a mandrel shapes the mixture. Moreover, the traditional systems exploit a curing process based on isocyanates, which are harmful compounds. A 3D printing system can substitute the conventional one, by having more freedom in the geometry options compared to the ones of the mandrel, and not requiring their extraction which could create cracks. Moreover, it is possible to do safer polymeric curing by using the UV curing method, exciting the molecules in the binder without needing high temperatures. The examined propellant is a high-viscosity composite combustible made of an oxidizer, ammonium perchlorate, and a fuel acting as a binder, polybutadiene, followed by two additives to initiate the curing process. For safety reasons, an inert substitute using ammonium sulfate as the oxidizer is chosen as the main mixture, making comparisons with the original propellant to show the differences between the two. The thesis presents the development of a new 3D printing system. The proposed configuration maintains the extrusion system fixed and moves the printing plate along the three axes. Printing tests are presented, done for simple geometry figures, using ammonium sulfate-based mixtures with 70% of solid content in mass, and ammonium perchlorate-based mixtures with 80% of solid content in mass, demonstrating deposition capability up to 2.2 mm wide samples. Finally, the document presents the effects of the separation in the slurry between solid and liquid parts, happening during extrusion, and the effects of different deposition methods in combustion. The separation tests show a gradual decrease in the solid content of the extruded samples, losing up to 7% by the end of the print. The solid part accumulates in the nozzle proximity, forcefully stopping the extrusion. Combustion tests prove a similar performance in the Vieille law for both types of samples, albeit with different coefficients.

Le tecniche di manifattura additiva sono diventate molto significative in molteplici industrie, avendo un basso costo, ampia versatilità e libertà di modellazione. Esse si possono applicare anche alla produzione di grani per motori a propulsione solida, sostituendo la manifattura tradizionale con processo di colata in forni ad alte temperature in cui la miscela viene modellata dal mandrino. Inoltre, i sistemi tradizionali sfruttano un processo di cura mediante isocianati, che sono composti nocivi. Un sistema di stampa 3D può sostituire i sistemi convenzionali avendo molta più libertà nelle geometrie possibili rispetto ai limitati mandrini e non necessitando la rimozione degli stessi, evitando la formazione di cricche. Inoltre, è possibile curare il propellente in maniera più sicura usando un metodo con luce UV, sollecitando le molecole del legante senza necessità di alte temperature. Il propellente studiato è un carburante composito ad alta viscosità costituito da un ossidante, il perclorato di ammonio, e un combustibile facente da legante, il polibutadiene, seguito da due additivi per innescare il processo di cura. Per ragioni di sicurezza, un sostituto inerte con solfato di ammonio come ossidante è stato scelto come miscela principale, comparandolo col propellente originale per mostrarne le differenze. La tesi presenta la realizzazione di un nuovo sistema di stampa 3D. La configurazione proposta mantiene il sistema di estrusione fisso e muove nelle tre dimensioni il piatto di stampa. I test di stampa vengono fatti con geometrie semplici usando le miscele con solfato di ammonio al 70% di massa solida e di perclorato di ammonio con 80% di massa solida, riuscendo a deporre provini sottili fino a 2.2 mm. Infine, vengono presentati gli effetti della separazione nella miscela tra parte solida e liquida, durante il processo di estrusione, e gli effetti dei differenti metodi di deposizione nella combustione. Il sistema dimostra di estrudere efficacemente entrambi i propellenti alle percentuali sopracitate. I test di separazione dimostrano che il materiale estruso riduce gradualmente la percentuale di solido, perdendone fino al 7% al termine della stampa. La parte solida si accumula in prossimità dell’ugello, fino a bloccare l’estrusione. Le prove di combustione mostrano un andamento della legge di Vieille simile nelle due categorie di provini usati, ma con coefficienti diversi.