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Riprogettazione dello Space Shuttle per estenderne la vita e migliorarne l’affidabilità anche mediante

l’impiego di tecniche di saldatura Friction Stir Welding (FSW)

Stefano FerrettiNASA Marshall Space Flight Center

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Sommario

• Riprogettazione dei serbatoi esterni dello shuttle mediante FSW

• Modellazione teorica del processo FSW• Sviluppo nuova tecnologia ad alta velocità

per FSW• Risultati sperimentali• Applicazioni e trasferimento di tecnologia

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Miglioramento dei serbatoi esterni dello Space Shuttle

Serbatoi esternialleggeriti ( - 3402 kg)Storia: TIG -> VPPA -> Al-Li 2195 -> FSWFSW:Utensile ruota a 180 – 300 rpmMetallo plasticizza (frizione, pressione)Utensile retrattile, FSW su lamiere inaccessibili

dall’interno

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FSW modelli teorici

Modello viscoso

Flusso non stazionario

Estrusione

Modello “rotating plug”

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Cinematica e Dinamica

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Programma per FSW ad alta velocita

• Obbiettivi:– Soluzione portatile manuale per riparazioni in orbita– Determinare configurazione ottimale del sistema– Tests nello Spazio della tecnologia (0-g, vuoto)– Implementazioni (Utensile rettrabile e Robonaut per lo

spazio)

• Obbiettivi del progetto:– Progetto e realizzazione del prototipo– Prove sperimentali su Al2195, Al2219, Al6061

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FSW ad alta velocità

Aumentano n utensile di 2 ordini di grandezza da 300 a 30000 rpm

Quindi aumenta Temperatura Quindi diminuisce τ (tensione tangenziale)Quindi diminuiscono Forza e Coppia

all’utensile

Descrizione del processo:

1. Drastica riduzione della forza applicata2. Risparmio di energia 3. Riparazioni nello Spazio (?)4. Soluzione portatile e manuale

Vantaggi del processo:

• Utensile ruota: 5000 – 23000 rpm• Velocita traslaz : 0 - 8 cm/min

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Prototipo HSFSW

• Progetto di nuovi utensili (leghe ad alta temperatura di fusione )

Progettazione di tutti i componenti fondamentali:• Motore e utensile (verde) • Traslazione orizz (bronzo)• Ang. utensile (nero)• Profondità (blu)

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Progetto degli utensili

• Approccio teorico: modellizzazione dei flussi– I flauti consentono al materiale plasticizzato di scorrere

con moto continuo e presa efficace (fatt riduz 100)• Richiesta termica all’interfaccia

– Effetto di concentrazione del calore con impiego di utensili isolanti.

• Soluzione pratica: considerazioni sperimentali– Rendere il processo indipendente da profondità dell

utensile (gestione manuale processo, riparazioni nello spazio)

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Prove sperimentali • Macro (evidenza di ottima circolazione plastica a velocità e pressione

appropriate)

• Ultrasuoni, Raggi X

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Tecnologie costruttive utilizzate nello spazio Collegamento per

saldatura FSW alta velocità

• Rigidezza e resistenza del giunto• Miglior ermeticità del giunto • Minor massa del giunto • Semplice progetto del collegamento • Semplice realizzazione del giunto • Altissima affidabilità del giunto • Ampia versatilità di utilizzo

Collegamenti meccanici

Collegamenti per

incollaggio

Taglio

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Applicazioni• Ambiente Spaziale

– micrometoriti, rottami, radiazioni, stress termici• Long duration space flights

– Stazioni Spaziali in Orbita (Manutenzione) – Missioni per la Luna e Marte

• RLVs riparazioni • Costruzione di basi planetarie

• Commerciali (efficace, economico, semplice)

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Conclusione• Studio fattibilità, Prototipo e Brevetto

• Modellizzazione del processo HSFSW

• Commercializzazione e applicazioni Spazio

Futuro: prove nello spazio di FSW ad alta velocità

1. Analisi Forze/Coppie nello Spazio 2. Sicurezza astronauti e sistemi 3. Integrazione nel Robonaut 4. Prove non distruttive