Caratterizzazione e produzione di propellenti solidi tramite Additive Manufacturing: Analisi reologiche e meccaniche per il design e lo sviluppo di un estrusore = Characterization and production of solid propellants through Additive Manufacturing: Rheological and mechanical analysis for the design and development of an extruder

Questo lavoro di tesi mira allo studio delle caratteristiche reologiche dei propellenti solidi innovativi, al fine di evidenziare i vantaggi nel loro utilizzo e la potenziale affinità con l’ambito dell’Additive Manufacturing. L’impiego di metodologie di indurimento del grano che si avvalgono della radiazione UV per la polimerizzazione del binder, consente l’applicazione di tecnologie innovative nella fabbricazione del propellente. È noto che gli attuali metodi di produzione dei propellenti solidi richiedono un elevato grado di accortezza, ai fini del mantenimento di un adatto livello di sicurezza. Ciò risulta esser in ovvio contrasto con la competitività prestazionale ed economica del processo di produzione, in confronto ad altre tipologie di propellenti. Infatti l'utilizzo del mandrino per ottenere una forma voluta del grano, essenziale per poter conseguire un preciso profilo di spinta, limita fortemente le geometrie conseguibili. Inoltre la forte tossicità degli isocianati, utilizzati per il termoindurimento del propellente, risulta esser una considerevole minaccia per la salute. La possibilità di ridurre tali rischi tramite l'utilizzo di un fotoreticolante e fotoiniziatore non tossico, comporta l'impiego di misure meno vincolanti al fine di mantenere lo stesso grado di sicurezza. Inoltre, la maggiore affinità di tali formulazioni per la stampa 3D profila un superamento dell'utilizzo del mandrino e di tutte le limitazioni imposte da esso. Ciò che emerge dalle analisi reologiche effettuate è un tangibile miglioramento della lavorabilità del propellente, dovuto alle proprietà possedute dagli additivi necessari per la fotoreticolazione del binder. In particolare, la loro viscosità ridotta, inferiore a quella del polibutadiene, comporta una diminuzione del 50% del suo valore rispetto alla situazione in cui il propellente ne è privo. Inoltre, si è constatato il mantenimento di un livello discreto della sensibilità della viscosità in relazione alla temperatura, registrando una riduzione fino a un quinto del suo valore qual ora riscaldato a 90°C rispetto al caso a temperatura ambiente. I risultati acquisiti sottolineano il potenziale del propellente non convenzionale per un’eventuale applicazione nel settore della produzione additiva. Le analisi reologiche effettuate hanno posto le basi per il design e l'ottimizzazione di un primo prototipo di estrusore. Questo è in grado di ridurre la viscosità del propellente mediante un sistema di riscaldamento, capace di mantenere le temperature entro un certo intervallo di sicurezza utilizzando l’acqua come fluido riscaldante. Il lavoro svolto pone le basi per l'integrazione del sistema di estrusione e illuminazione in un unico prototipo di stampante che potrà esser utilizzato per analizzare composizioni differenti di propellente, caratterizzati da una maggiore affinità con il campo dell'additive manufactoring e capaci di sostituire le moderne tecnologie.