Development and characterization of a robotic filament winding process for small complex-shapes tubes

Demand for composite materials has grown steadily in past years, driven by the aerospace and oil & gas sectors. Today, the continuing search for high-performance solutions has enlarged their field of application, shifting interest from axisymmetric geometries to in creasingly complex shapes. Starting with filament winding, robotic filament winding has developed in recent years through the implementation of robotic manipulators, with the aim of increasing process degrees of freedom and meeting market demands. In this thesis, the development and characterization of a robotic filament winding process were addressed, aimed at the goal of reliving non axisymmetric components, and increasing the level of process automation for future industrial applications. After increasing the stiffness of the system by redesigning parts of the components, the problem of realizing f irst an axisymmetric, and then a non axisymmetric component was addressed through the development of two different winding strategies: a helical trajectory and an algorithm to obtain a stable trajectory on a generic surface. Finally, two specific experimental cam paigns were carried out with the aim of evaluating the goodness of the process, define possible feasibility range and point out future developments.

La richiesta di materiali compositi ha avuto una crescita costante negli anni passati, trainata dai settori dell’aereospaziale e dell’oil & gas. Oggi, la continua ricerca di appli cazioni ad alte prestazioni ha allargato gli ambiti interessati ad essi, spostando l’interesse da geometrie assialsimmetriche a forme sempre più complesse. A partire dal filament wind ing, il robotic filament winding si è sviluppato negli ultimi anni grazie all’implementazione di manipolatori robotici, con lo scopo di aumentare i gradi di libertà del processo e di soddisfare le richieste del mercato. In questa tesi lo sviluppo e la caratterizzazione di un processo di robotic filament winding sono stati affrontati, rivolti alla realizzazione di componenti non assialsimmetrici, con l’obiettivo di aumentare il livello di automazione del processo per future applicazioni industriali. Dopo aver aumentato la rigidezza del sitema riprogettando parti delle componenti, il problema della realizazione di un compo nente prima assialsimmetrico, e poi non assialsimmetrico è stato affrontato attraverso lo sviluppo di due differenti strategie di avvolgiemento: una traiettoria elicoidale ed un algo ritmo per la realizzazione di una traiettoria stabile su una superficie generica. Infine, due campagne sperimentali sono state svolte con l’obiettivo di valutare la bontà del processo, definire possibili range di fattibilità ed evidenziare i futuri sviluppi.