OTTIMIZZAZIONE DEL PROCESSO DI STAMPA 3D DI CELLE FOTOACUSTICHE YRPAC

This work describes the study, design, and implementation—carried out in collaboration with the Italian Space Agency (ASI) and the Interdisciplinary Additive Manufacturing (IAM) Laboratory of the Polytechnic University of Bari (Taranto branch)—of a miniaturized 3D-printed resonant photoacoustic cell. The chosen model is a YRPAC, used in the field of photoacoustic spectroscopy for trace gas detection, particularly methane. First, a study on additive manufacturing was conducted, analyzing the different 3D printing processes, with particular attention to their potential and limitations, as well as their applications in the aerospace sector, where miniaturization, lightness, and the ability to create complex geometries are of fundamental importance. In the course of the work, a detailed review of the scientific literature on photoacoustic spectroscopy (PAS) and photoacoustic cells (PAC) was also carried out, highlighting the differences between a non-resonant and a resonant model. Furthermore, it was shown how the latter technology has evolved in recent years, progressing from HRPAC and TRPAC models to the current YRPAC configuration, and how it is used within an experimental system for trace gas detection. Subsequently, studies were conducted on materials suitable for the fabrication of the cell, evaluating their mechanical, thermal, and outgassing properties, as well as their compatibility with the 3D printing techniques to be used. Polyvinylidene fluoride (PVDF) was therefore identified as a potentially ideal material for the final version of the cell, thanks to its remarkable characteristics. At the same time, several prototype geometries were created in Fusion 360, specifically designed to perform pressure tests. The prints were produced using a filament 3D printer (Ultimaker S5) with common thermoplastic materials (PLA, PP, and PC) and subjected to tests to assess their strength and structural integrity. Once the final version was designed and manufactured, it was integrated into an experimental system for trace methane detection and tested at the ASI laboratories in Matera. The work carried out has therefore made it possible to create a prototype of the YRPAC cell and outline possible future developments for the optimization of miniaturized photoacoustic devices based on additive technologies, with the goal of making them increasingly effective in environmental and space monitoring systems.

Il seguente lavoro descrive lo studio, la progettazione e l’implementazione, condotti in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l’Interdisciplinary Additive Manufacturing (IAM) Laboratory del Politecnico di Bari (sede di Taranto), di una cella fotoacustica risonante miniaturizzata stampata in 3D.Il modello scelto è un YRPAC, impiegato nell’ambito della spettroscopia fotoacustica per la rilevazione di gas in tracce, in particolare metano. In primo luogo, è stato condotto uno studio sull’additive manufacturing analizzando i diversi processi di stampa 3D, con particolare attenzione alle loro potenzialità e limitazioni e a quelle che sono le applicazioni nel settore aerospaziale dove la miniaturizzazione, la leggerezza e la possibilità di realizzare geometrie complesse sono di fondamentale importanza. Nel corso del lavoro è stata condotta, inoltre, un’attenta analisi della letteratura scientifica riguardante la spettroscopia fotoacustica (PAS) e le celle fotoacustiche (PAC), evidenziando le differenze tra un modello non risonante ed uno risonante. Si è visto, inoltre, come quest’ultima tecnologia si è evoluta negli ultimi anni, passando dai modelli HRPAC e TRPAC fino all’attuale configurazione YRPAC, nonchè come venga impiegata all’interno di un sistema sperimentale per la rilevazione del gas in tracce. Successivamente, sono stati svolti studi sui materiali idonei alla realizzazione della cella, valutandone proprietà meccaniche, termiche, di outgassing e la compatibilità con le tecniche di stampa 3D da impiegare. È stato, pertanto, individuato il polivinilidenfluoruro (PVDF) come materiale potenzialmente ideale per la versione finale della cella, grazie alle sue notevoli caratteristiche. Contestualmente, sono stati realizzati in ambiente -Fusion 360- diversi prototipi di geometrie, appositamente progettate per eseguire i test di pressione. Le stampe sono state realizzate attraverso una stampante 3D a filamento (Ultimaker S5) con materiali termoplastici comuni (PLA, PP e PC) e sottoposti a test per valutarne la resistenza e l’integrità strutturale. Una volta progettata e realizzata la versione finale, essa è stata integrata in un sistema sperimentale per il rilevamento di metano in tracce e testata presso i laboratori dell’ASI di Matera. Il lavoro condotto ha, dunque, permesso di realizzare un prototipo della cella YRPAC, e di delineare i possibili sviluppi futuri per l’ottimizzazione di dispositivi fotoacustici miniaturizzati basati su tecnologie additive, con l’obiettivo di renderli sempre più efficaci in sistemi di monitoraggio ambientale e spaziale.