CASE STUDY | Razzo Pyxis Skyward: stampa 3D e ottimizzazione topologica

Le tecnologie additive e il settore aerospaziale sono fin da subito andati molto d’accordo. Basti pensare, ad esempio, che la stessa NASA stia stampando ricambi in 3D direttamente nello spazio per abbattere i costi sui trasporti e quindi sul carburante, o che tutte le realtà di questo settore abbiano macchinari con cui far fronte internamente alla produzione di strutture complesse e componentistica di vario genere.

Con il lavoro che noi di 3D Store Monza abbiamo svolto per Skyward Experimental Rocketry, vogliamo tuttavia sottolineare un ulteriore aspetto legato all’Additive Manufacturing: l’ottimizzazione topologica per massimizzare la funzionalità. In particolare, abbiamo realizzato in sinterizzazione alcuni pezzi della struttura interna del razzo Pyxis, progetto vincitore della prestigiosa competizione universitaria EuRoC 2022.

SKYWARD EXPERIMENTAL ROCKETRY: PRESENTAZIONE

Un plauso per questi ragazzi che con dedizione e senso del dovere impiegano anche fino a 12 ore al giorno, compreso il proprio tempo libero, per attuare il progetto che si tradurrà in razzo.

Essendo progetti annuali, il calendario è ben scandito: a settembre dell’anno precedente viene pensato il design del missile, segue la progettazione fino a dicembre, poi le aziende coinvolte – come 3D Store Monza – producono fisicamente i pezzi per tutti i primi mesi dell’anno. A questo punto Skyward assembla e testa il prodotto; a settembre viene poi effettuato il lancio di prova propedeutico alla gara vera e propria in quel di ottobre.

Un piccolo grande fiore all’occhiello: Skyward detiene attualmente il record naizonale di rocketry grazie al raggiungimento di un apogeo di 1330 metri.

ESIGENZA DEL CLIENTE: OTTIMIZZAZIONE TOPOLOGICA

L’ottimizzazione topologica è la chiave del progetto affidatoci da Skyward Experimental Rocketry nell’ambito della realizzazione del razzo Pyxis. Non è altro che l’applicazione su un componente meccanico di un’analisi effettuata da un apposito software, che si pone come obiettivo quello di produrre pezzi dalle forme organiche che permettano di sostenere comunque i carichi, ma riducendo il peso e massimizzando funzionalità e prestazione dei pezzi.

Skyward ha pensato quindi di rendere la componentistica più leggera, sottraendo materiale “in eccesso”. La stampa 3D è particolarmente indicata per questo processo perché permette di creare forme libere dal vuoto, addizionando materiale strato su strato.

Entrando ancora di più nel dettaglio, la tecnologia SLS (Selective Laser Sintering), quella delle nostre stampanti 3D EOS, è perfetta perché si adatta a qualsiasi forma complessa, garantisce la stabilità del materiale e la resistenza meccanica dei pezzi stampati.

Di ottimizzazione topologica ci ha parlato Matteo Colombo, il responsabile del team strutture di Skyward per il progetto del razzo Pyxis: “Ci siamo approcciati all’ottimizzazione topologica già due anni fa per il nostro primo razzo da competizione, Lynx, sempre per sostenere componenti elettroniche. Non eravamo particolarmente preoccupati dai carichi (erano tutte schede leggere) ma ci serviva una struttura ridotta al minimo per lasciare spazio per il cablaggio e per altri componenti vicini”.

“Con Pyxis – ha proseguito – abbiamo fatto un passo in avanti: l’ottimizzazione topologica è stata usata per pezzi strutturali oltre che per ‘creare’ spazio dove serviva”.

Entriamo nel dettaglio del progetto.

PROGETTO E REALIZZAZIONE: COMPONENTISTICA SINTERIZZATA

Veniamo al dunque: ai pezzi stampati in 3D.

Matteo Colombo è entrato ancora più nel dettaglio della progettazione: “Si parte dal cosiddetto design space, che è tutto il volume che la struttura finale può occupare. Da questo si evidenziano le interfacce con i vari componenti e si applicano carichi e vincoli: il risultato che esce dal software per l’ottimizzazione topologica è tutto e solo il materiale che serve a sostenere il carico, proprio dove serve”.

Da qui nascono le parti realizzate in polvere di nylon PA12 con i macchinari EOS. In particolare abbiamo realizzato per Skyward un supporto batterie e daughterboards nel vano elettronica e per il supporto del cubesat e dell’elettronica da competizione (COTS) nel vano payload, ovvero il piccolo satellite che deve essere portato in quota e che è pensato per contenere il “carico pagante” del razzo.

VANTAGGI RISCONTRATI

In questo caso bisogna premettere che senza le tecnologie additive, Skyward non avrebbe potuto ottenere le forme richieste: è uno di quei casi in cui la stampa 3D non solo presenta dei vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali, ma diventa l’unico metodo di produzione possibile. E di conseguenza non ci sarebbe stata ottimizzazione topologica.

A questo vanno aggiunti i vantaggi “classici” dell’Additive Manufacturing:

BASSO COSTO

Per delle lavorazioni simili (poiché questa non si sarebbe proprio potuta realizzare) con le tecnologie tradizionali, i costi si attestano su cifre ben più alte

Come ha poi spiegato Matteo Colombo, nel progetto vincente di Pyxis sono stati riscontrati ulteriori vantaggi. In primis la diminuzione del peso, dato dal design ottimizzato e dal nylon PA12 performante, ma leggero: “Senza la stampa 3D saremmo dovuti ricorrere a forme diverse, metodi tradizionali e materiali più pesanti come l’alluminio che avremmo utilizzato per ripiani e supporti – ha raccontato il responsabile team strutture –. Questi sono fin troppo performanti per la nostra applicazione (carichi moderati) in relazione al loro peso, di sicuro molto più alto a causa della densità maggiore ma anche dell’impossibilità di usare l’ottimizzazione”.

In secondo luogo, Skyward ha riscontrato il vantaggio di un maggiore spazio di lavorazione: “Ipotetici pezzi diversi non stampati in 3D avrebbero lasciato ben pochi spazi per il routing dei cavi, costringendoci a ingrandire i vani contenenti l’elettronica appesantendo ulteriormente il razzo. Non da ultimo le strutture in alluminio, siano esse ricavate dal pieno per asportazione di truciolo o tagliate da lamiere, sono più difficili e lente da produrre e non ci permettono di effettuare diverse iterazioni”, ha concluso Colombo.

LA TESTIMONIANZA: MATTEO COLOMBO

Il commento finale di Matteo Colombo sulla realizzazione del progetto: “I componenti stampati in 3D in sinterizzazione erano perfetti, li abbiamo montati senza problemi e sono sopravvissuti senza alcun danno a 2 lanci (>1000 km/h, accelerazioni di 8/9 g, atterraggi a 20/30 km/h)”.

“Abbiamo anche notato con piacere come i ragazzi di 3D Store Monza si siano appassionati insieme a noi al progetto. Ci hanno accompagnato durante tutta la campagna di lancio incoraggiandoci a dare il massimo: per noi al di là del prodotto di assoluta qualità piace sapere di aver trasmesso il nostro amore per quello che facciamo”, ha concluso il responsabile team strutture di Pyxis.

STAMPANTE 3D UTILIZZATA: EOS FORMIGA P100