A new concept of 3D printed superelastic tire for extra-terrestrial rovers

Rover wheels are designed with specific characteristics that enable their operation in extraterrestrial environments, where extreme conditions pose a challenge to traditional materials. In this context, superelastic tires made from Shape Memory Alloys (SMA) are emerging as an innovative solution due to their reversible deformation capability and low weight. However, the direct contact of SMAs with asperities and the harsh lunar envi- ronment could cause damage and lead to the failure of the superelastic tire. One possible solution is to integrate SMAs into a structural fabric. These advanced fabrics consist of 3D-printed networks of interconnected cells, whose geometry determines specific mechan- ical properties. The integration of SMAs with such structures has led to the development of Structural Smart Fabrics (SSF), which combine adaptability and improved performance for advanced applications. In this thesis, the SSF design is further optimized to tailor its functionality as a potential solution for rover wheels. The first objective is to develop a finite element analysis (FEA) to simulate the behavior of an SSF under bending, com- paring polymeric (Nylon PA12) and metallic (steel, aluminum, and titanium) materials. The second objective is to design a rover wheel prototype made from SSF, optimizing its weight and shape for the specific application and verifying its manufacturability through Binder Jetting technology. The FEA results show that the SSF performs correctly in all tested configurations and indicate that the critical structural component is the Nitinol wire rather than the fabric cells. The selected prototyping material is 17-4PH steel, aim- ing to explore the manufacturability of components through Binder Jetting. In the next design phase, an iterative process of modeling and production feasibility verification led to a final version optimized in terms of weight and functionality, whose manufacturability was confirmed.

Le ruote dei rover sono progettate con caratteristiche specifiche che ne consentono l’operatività in ambienti extraterrestri, dove condizioni estreme pongono una sfida ai materiali tradizionali. In questo contesto, gli pneumatici superelastici realizzati con leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA) stanno emergendo come una soluzione innovativa grazie alla loro deformazione reversibile e al peso ridotto. Tuttavia, il contatto diretto delle SMA con le asperità e l’ambiente ostile dell’esplorazione lunare potrebbe causare danni e il cedimento dello pneumatico superelastico. Una possibile soluzione è integrare le SMA in un tessuto strutturale. Questi tessuti avanzati sono reti tridimensionali stampate in 3D, composte da celle interconnesse la cui geometria determina specifiche proprietà meccaniche. L’integrazione delle SMA con tali strutture ha portato allo sviluppo dei tessuti strutturali intelligenti (Structural Smart Fabrics, SSF), che combinano adattabilità e prestazioni migliorate per applicazioni avanzate. In questa tesi, il design di un SSF viene ulteriormente ottimizzato per adattarne la funzionalità come potenziale soluzione per le ruote dei rover. Il primo obiettivo è sviluppare un’analisi agli elementi finiti (FEA) per simulare il comportamento di un SSF sottoposto a flessione, confrontando materiali polimerici (Nylon PA12) e metallici (acciaio, alluminio e titanio). Il secondo obiettivo è progettare un prototipo di ruota per rover realizzato con SSF, ottimizzandone peso e forma per l’applicazione specifica e verificandone la realizzabilità tramite la tecnologia Binder Jetting. I risultati dell’analisi FEA dimostrano che l’SSF funziona correttamente in tutte le configurazioni testate e indicano che il componente critico, dal punto di vista strutturale, è il filo di Nitinol piuttosto che le celle del tessuto. La scelta del materiale di prototipazione è quindi ricaduta sull’acciaio 17-4PH, per esplorare la producibilità dei componenti tramite Binder Jetting. Nella fase successiva di progettazione, un processo iterativo di modellazione e verifica della fattibilità produttiva ha portato a una versione finale ottimizzata in termini di peso e funzionalità, la cui producibilità è stata verificata.