Design and structural assessment of an electronic module with embedded heat pipes

This thesis has been developed with the aim of designing an AlSi10Mg electronic module with embedded heat pipes (HP), manufactured via laser powder bed fusion (LPBF), for a satellite's application and assessing its structural integrity under the vibrational loads experienced during the launch phase. The research is part of a project proposed by the European Space Agency (ESA). Heat pipes are passive heat-dissipating components that have been used extensively in the space sector. In the recent years, the growing development of additive manufacturing (AM) has made it possible to integrate HPs in the electronic boxes, enhancing the thermal performance. An important innovation of this work is the use of 3D-printed lattice structures as wick for the HPs. Thermal analysis results showed that lattice wicks, specifically designed for this application, outperformed sinter-style porous wicks in the "against gravity" condition. The module geometry has been optimized with an iterative procedure, led by weight reduction, analysis of natural frequencies and damage calculations. The structural damage has been calculated from the module response to the launch loads obtained numerically from finite element analyses. To validate the structural assessment results, an experimental testing campaign was conducted. Since the fatigue behavior of AMed parts is strongly dependent on the printing conditions, the geometry and the material, a particular component-like specimen has been designed to model the module behavior in the most reliable way. Lastly, the results of the static and fatigue assessments have been presented. The static assessment against burst followed a fracture-based methodology based on the failure assessment diagram (FAD) on the HP section and showed that the HP could withstand a static pressure of 70 bar with a 2.5 safety factor. The assessment under fatigue (random and sine) loads confirmed the component’s safety margin with Miner's cumulative damage index below 1.

Lo scopo di questa tesi è la progettazione di un modulo elettronico in AlSi10Mg con heat pipes (HP) incorporati, realizzato tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF), per applicazioni satellitari e la verifica della sua integrità strutturale sotto i carichi vibrazionali sperimentati durante la fase di lancio. La ricerca è parte di un progetto proposto dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA). Gli heat pipes sono componenti passivi per la dissipazione del calore, ampiamente utilizzati nel settore spaziale. Negli ultimi anni, il crescente sviluppo dell'additive manufacturing (AM) ha reso possibile l'integrazione degli HP all'interno di box elettronici, migliorandone le prestazioni termiche. Un'importante innovazione di questo lavoro è l'uso di strutture reticolari (lattice) stampate in 3D come wick per gli HP. I risultati dell'analisi termica hanno dimostrato che le strutture reticolari, progettate specificamente per questa applicazione, hanno superato le prestazioni dei materiali porosi sintered-style in condizioni di gravità avversa. La geometria del modulo è stata ottimizzata tramite una procedura iterativa, con l’obiettivo di ridurre il peso, analizzare le frequenze naturali e calcolare i danneggiamenti strutturali. Questi ultimi sono stati valutati sulla base della risposta del modulo ai carichi di lancio, ottenuta tramite analisi numeriche agli elementi finiti. Per convalidare i risultati dell'analisi strutturale, è stata realizzata una campagna di prove sperimentali. Poiché il comportamento a fatica delle parti prodotte in AM è fortemente influenzato dalle condizioni di stampa, dalla geometria e dal materiale, è stato progettato un campione specifico simile al componente HP per garantire un'analisi il più realistica possibile. Infine, vengono presentati i risultati delle verifiche statica e a fatica. L'analisi statica di resistenza allo scoppio ha seguito una metodologia basata sulla meccanica della frattura e sul Failure Assessment Diagram (FAD), dimostrando che l'HP può resistere fino a una pressione statica di 70 bar con un fattore di sicurezza pari a 2,5. La verifica a fatica (applicando carichi random e sinusoidali) ha confermato il margine di sicurezza del componente, con un indice di danno cumulativo di Miner inferiore a 1.