Studio di fattibilità di un anodo per un motore ad effetto Hall mediante additive manufacturing

Il presente elaborato riguarda la progettazione mediante additive manufacturing di un anodo-distributore per un motore Hall. Il lavoro si colloca all’interno del progetto TANDEM, programma di ricerca intrapreso dall’Università di Pisa in collaborazione con Aerospazio Tecnologie s.r.l. e finanziato dall’ESA, per la progettazione di un prototipo di propulsore Hall con doppio canale coassiale ad alta potenza. In prima istanza sono introdotte le caratteristiche ed il funzionamento del motore Hall, necessarie per comprendere le finalità del componente da progettare. Successivamente è descritto il processo di additive manufacturing scelto per la realizzazione del componente, ovvero il “Selective Laser Melting” (SLM); ne sono illustrati i principali parametri e vantaggi per la realizzazione di componenti metallici rispetto ai tradizionali processi di lavorazione sottrattivi. Lo studio si è pertanto concentrato sull’analisi dell’anodo progettato mediante le lavorazioni meccaniche classiche; sono state individuate le criticità di tale design per la manifattura additiva e introdotte modifiche per ottimizzarne la stampabilità. A fronte del ridotto volume di lavoro della macchina e dell’incertezza relativa al-la qualità finale del pezzo, è stato deciso di non realizzare l’intero anodo ma dei settori angolari: così facendo è stato possibile stampare più settori, ognuno caratterizzato da una differente geometria, e degli ulteriori provini, contenenti varie versioni dei singoli dettagli geometrici di interesse. Al fine di valutare l’effetto delle modifiche geometriche sulla distribuzione del flusso di gas che attraversa l’anodo-distributore, sono state effettuate delle simulazioni fluidodinamiche. Queste hanno però evidenziato dei limiti legati alla presenza di pressioni estremamente ridotte che compromettono pertanto la validità dell’ipotesi di continuo. Quindi i provini, realizzati presso il laboratorio di additive manufacturing per materiali metallici dell’Università di Pisa, sono stati sottoposti alle operazioni di post-processing ed infine analizzati allo scopo di valutare la qualità della stampa. This paper concerns the design by additive manufacturing of an anode-distributor for a Hall thruster. The work is part of the TANDEM project, a research program undertaken by the University of Pisa in collaboration with Aerospazio Tecnologie s.r.l. and funded by ESA, to design a prototype Hall thruster with dual coaxial high-power channels. In the first instance, the characteristics and operation of the Hall thruster are introduced, which are necessary to understand the purpose of the component to be designed. Next, the additive manufacturing process chosen for the fabrication of the component, namely "Selective Laser Melting" (SLM), is described; its main parameters and advantages for the fabrication of metal components compared to traditional subtractive machining processes are explained. Therefore, the study focused on analyzing the anode designed by classical machining; critical issues of this design for additive manufacturing were identified and modifications were introduced to optimize its printability. Faced with the reduced machine work volume and the uncertainty regarding the final quality of the part, it was decided not to make the entire anode but some angular sectors: by doing so, it was possible to print several sectors, each characterized by a different geometry, and additional samples, containing various versions of the individual geometric details of interest. In order to evaluate the effect of geometric changes on the distribution of the gas flow through the anode-distributor, fluid-dynamic simulations were carried out. However, these revealed limitations related to the presence of extremely low pressures that compromise the validity of the continuum hypothesis. Therefore, the samples, made at the additive manufacturing laboratory for metallic materials at the University of Pisa, were subjected to the operations of post-processing and finally analyzed in order to assess the quality of the printing