Feasibility study on manufacturing Type V pressure vessels using an AFP process for high-performance space applications

The development of advanced composite pressure vessels is strongly driven by the demand for lighter, safer and more efficient storage systems for space and high-performance applications. The current state-of-the-art in pressure vessel technology, Type V, relies solely on carbon fibers for both structural integrity and gas containment. While this approach enables significant weight reduction, the extremely high operating pressures have so far prevented widespread commercial adoption. Automated Fiber Placement (AFP), a robotic process capable of laying down tows with precise control of orientation and steering, is investigated in this work as an alternative to traditional Filament Winding. The main objective of this thesis is to assess the feasibility of manufacturing a Type V spherical pressure vessel entirely from carbon fibers using AFP for spacecraft applications. To achieve this, an integrated workflow combining analytical, numerical and simulation-based approach provides both a structural design methodology and a preliminary assessment of process feasibility, paving the way for future experimental validation and industrial application. The design process begins with Netting Analysis and is progressively refined using Classical Lamination Theory (CLT) and the Tsai–Wu failure criterion to determine optimal stacking sequences for spherical pressure vessels. Subsequently, CAD modeling and FEA are performed to evaluate polar boss design, followed by structural optimization to minimize mass while keeping von Mises stresses below allowable limits. Realistic loading and boundary conditions are considered and mesh sensitivity studies are conducted to refine the numerical accuracy. The optimized components are then manufactured. A dedicated process for producing the spherical natural fiber-reinforced salt core by Wet Compression Molding (WCM) is presented, along with the integration of the polar bosses. Finally, extensive AFP deposition simulations are conducted for both thermoset and thermoplastic material systems. The workflow and software tools used for tool-path generation are described and the results are compared in terms of coverage capability, layup efficiency and manufacturability.

Lo sviluppo di serbatoi a pressione compositi avanzati è fortemente guidato dalla crescente richiesta di sistemi di stoccaggio più leggeri, sicuri ed efficienti, destinati ad applicazioni spaziali e ad alte prestazioni. Lo stato dell’arte attuale nella tecnologia dei serbatoi a pressione, il cosiddetto Type V, si basa esclusivamente sull’impiego di fibre di carbonio sia per garantire l’integrità strutturale sia per la tenuta del gas. Sebbene questo approccio consenta una notevole riduzione di peso, le pressioni operative estremamente elevate hanno finora limitato la diffusione commerciale di tali soluzioni. In questo lavoro viene studiato l’uso dell’Automated Fiber Placement (AFP), un processo robotizzato in grado di depositare tows con controllo preciso di orientazione e traiettoria, come alternativa al tradizionale Filament Winding. Grazie alla maggiore adattabilità e flessibilità nella pianificazione dei percorsi, l’AFP rappresenta un metodo promettente per la progettazione e produzione di geometrie complesse, come i piccoli serbatoi sferici Type V. L’obiettivo principale di questa tesi è valutare la fattibilità della realizzazione di un serbatoio a pressione sferico Type V interamente in fibra di carbonio, utilizzando l’AFP per applicazioni spaziali. A tal fine, è stato sviluppato un flusso di lavoro integrato che combina approcci analitici, numerici e basati su simulazioni, fornendo sia una metodologia di progettazione strutturale sia una valutazione preliminare della fattibilità del processo, aprendo la strada a future validazioni sperimentali e applicazioni industriali. Il processo di progettazione inizia con l'analisi Netting e viene progressivamente raffinato mediante la Teoria classica della laminazione (CLT) e il criterio Tsai–Wu per determinare le sequenze di laminazione ottimali per serbatoi sferici a pressione. Successivamente, tramite modellazione CAD e simulazioni agli elementi finiti (FEA), vengono valutati i design dei polar boss, seguiti da un’ottimizzazione strutturale mirata a minimizzare la massa mantenendo le tensioni di von Mises al di sotto dei limiti ammissibili. Sono considerate condizioni di carico e vincolo realistiche e vengono condotti studi di sensibilità della mesh per migliorare l’accuratezza numerica. I componenti ottimizzati vengono poi prodotti. È stato inoltre sviluppato un processo specifico per la produzione di un nucleo salino sferico rinforzato con fibre naturali tramite Wet Compression Molding (WCM), comprendente anche l’integrazione dei polar bosses. Infine, vengono condotte estese simulazioni di deposizione AFP per materiali termoindurenti e termoplastici. Sono descritti il flusso di lavoro e gli strumenti software utilizzati per la generazione delle traiettorie, confrontando i risultati in termini di capacità di copertura, efficienza di layup e producibilità.