Università degli Studi di BolognaFACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria MeccanicaDISEGNO TECNICO INDUSTRIALE

SVILUPPO DI UNA MACCHINA AVVOLGITRICE DI FILO AD ALTA PRECISIONE PER IMPIEGHI

AEROSPAZIALI NELL’AMBITO DEL PROGETTO ESA YES2

Tesi di Laurea di: Relatore: Prof. Ing. Luca PiancastelliAndrea Morganti Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana

Prof. Ing. Alfredo LiveraniProf. Ing. Ferdinand Hermanns

Argomenti trattati

� Impiego dei fili ad alta resistenza in campo aerospaziale

� Progetto YES2 (Young Engineering Satellite)

� Esperimento in condizioni di micro gravita’� Ottimizzazione di una macchina avvolgitrice

per la produzione di bobine da impiegare nel progetto Yes2

Obiettivi della tesi

� Realizzazione di una struttura di supporto per un sistema di simulazione da impiegarsi durante il test in condizioni di microgravità

� Ottimizzazione di una macchina avvolgitrice di precisione

Space tether

Fili conduttori Fili non conduttori

�Generatori di f.e.m.

�Collegamento tra satelliti

�Trasferimento di momento angolare

Progetto YES2

Progetto YES2: Fili utilizzati

Materiale: fibra polietilenicaHT(high tenacity) di tipo Dyneema

������������

����������

���������

����������

������������������������������ �!������� "�Tenacità

Resistenza all’abrasione

Coefficiente d’attrito

Allungamento a rottura

Temperatura di fusione

Sistema di simulazione Mr.YES: MISsion TEst Rig for YES2

EGSE FLOYD SIMULATORE DI TRAIETTORIA TENSIOMETRO SVOLGIMENTO RIAVVOLGIMENTO

FLOYD Freno ad attrito

Test in condizioni di microgravità

Finalità principali del test:

• Collaudo del sistema di simulazione in micro gravità

• Configurazione di velocità e tensione del filo durante il test di svolgimento

• Confronto con i dati raccolti mediante i test effettuati a terra

STUDIO DELLA DINAMICA DI SVOLGIMENTO DEL FILO

Per lo stivaggio del sistema di simulazione sull’AIRBUS 300 è stata necessaria la progettazione e realizzazione di una struttura perl’ancoraggio e la protezione delle apparecchiature componenti

Test in condizioni di microgravità

Teoria dell’avvolgimento

BOBINA Di

QUALITÀ

•Tipo di avvolgimento

•Fattore di riempimento (densità)

•Velocità di avvolgimento

•Precisione di posizionamento

•Pretensionamento

CompattaStabile

Riproducile

AVVOLGIMENTO IN PARALLELO

Avvolgimento in parallelo

h

R f R B

R m

R P

ls

Primo strato cilindricodi avvolgimento

)(2 stgRmh απ ⋅⋅=

RfRpRm +=1

RfRmRB += 11

1sl = 22)2( hRm +⋅π

⋅= nL1 1sl =22

1 )2( hRmhl +⋅⋅ π

Parametro di posizionamento h

Raggio medio della bobina

Raggio esterno della bobina

Lunghezza avvolta su una spira

Lunghezza avvolta sul primo strato

Numero di spire

hl

n =

Variazione del raggio

Analisi della qualità

Variazione della densità

Precisione di posizionamento del filo

R m1

E F

D

BAC

m2R R m3

Strati cilindrici successivi

Lunghezza avvolta su una spira

Lunghezza avvolta sul primo strato

Avvolgimento in paralleloVariazione del raggio

Raggio medio della bobina

Raggio esterno della bobina

Lunghezza totale avvolta

+= 12 mm RR2

2

44

hRf −⋅

⋅−++= )1(iRRR fpmi

22

44

hRf −⋅

sil = 22)2( hRmi +⋅π

⋅= nLi sil =22)2( hR

hl

mi +⋅⋅ π

�=s

itotL1

22)2( hRhl

mi +⋅⋅ π

.

Massa totale avvolta

Densità media della bobina

Variazione discreta della densità della bobina

totfB Lm ⋅= ρ

=BR ⋅++ sRR fp 22

2

44

hRf −⋅

Raggio finale della bobina

==B

BB V

mρ( )

��

�

�

��

�

�−

��

��

�

−⋅++⋅⋅

+⋅⋅⋅ �

2

22

2

1

22

442

2

PffP

s

miif

Rh

RsRRl

hRhl

π

πρ

)()1()()1(

iViVimim

Vm

BB

BB

B

BB −+

−−=

∆∆

=∆ρ

Variazione della densità

Avvolgimento in parallelo

R m1

E F

D

BAC

m2R R m3

Analisi numerica

Variazione del raggio della bobina in funzione del posizionamento

RB=f(h)

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34h=0.5

h=0.55

h=0.6

h=0.650h=0.7

h=0.750h=0.8

h=0.850h=0.9

h=0.95h=1

35

40

45

50

55

60

65

70

diametro esterno

strato avvolto

posizionamento

variazioni della crescita del diametro in base al posizionamento 65-70

60-65

55-60

50-55

45-50

40-45

35-40

h RB

h

n

RB

Dati sperimentali•Ltot=3 km•l=260 mm•Rp= 39 mm •Rf= 0.25mm•h [0.5:1];∆h=5%

andamento della densità media in base al posizionamento

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

strato avvolto

dens

ità

h=0.5

h=0.525

h=0.55

h=0.575

h=0.6

h=0.625

h=0.65

h=0.675

h=0.7

h=0.725

h=0.75

h=0.775

h=0.8

h=0.825

h=0.85

ρB

n

h ρΒ

n>> ρB cost

Variazione della densità media in funzione del posizionamento

ρB=f(h)

Analisi numerica

Variazione della densità media in funzione del posizionamento

∆ρB=f(h)

andamento della variazione incrementale della densità in dipendenza del posizionamento

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

strato avvolto

vari

azio

ne in

crem

enta

le d

i den

sita

'

h=0,5

h=0,525

h=0,55

h=0,575

h=0,6

h=0,625

h=0,65

h=0,675

h=0,7

h=0,725

h=0,75

h=0,775

h=0,8

h=0,825

h=0,85

n

∆ρΒ

Analisi numerica

Soluzione costruttiva per la macchina avvolgitrice

F a . R e x ro th S ta r G m b HP rä z is io n s -K u g elg e w in d etrie bK G T -S p in d el 1 2 x5 R x 2 ,00 0 M M - T 9

S ilbe rs ta h l (1 1 5 C rV 3 ) Ø 1 2 m m

Prototipo di partenza Nuova soluzione

Ottimizzazione del posizionamento

Elementi strutturali per la movimentazione ed il controllo di posizione

Versione finale della macchina

Conclusioni� Progettazione e realizzazione del supporto per Mr. Yes per il test in

microgravità.� Studio teorico della qualità di una bobina.� Progettazione e realizzazione di una nuova guida di posizionamento

per la macchina avvolgitrice. � Nei test di avvolgimento effettuati utilizzando le dimensioni relative ai

grafici si e’ constatato che i valori massimi ottenuti per il parametro di posizionamento h (condizionatamente alla precisione della vite a sfere di ricircolo ed al controllo del motore passo passo che la movimenta) sono dell’ordine di 0.75 mm.

� Nel confronto con i valori ottenuti con la precedente soluzione costruttiva per la guida (h=0.9 mm) si è riscontrata una diminuzione del diametro finale della bobina ed un conseguente aumento di densità della stessa.

� La precisione della nuova guida di posizionamento del filo ha apportato un aumento della qualità della bobina.