《 中國空間科學(xué)技術(shù)》模擬月壤3D打印致密化成型研究

來源：中國空間科學(xué)技術(shù)

01 文章導(dǎo)讀

1.研究背景

月球蘊藏著豐富的礦產(chǎn)和能源資源,，可能賦存71.5萬噸氦-3、70萬億噸二氧化鈦和其他礦產(chǎn)資源,，并擁有重要的位置資源,，如在月球空間通信,、探索和科學(xué)實驗,。在月球上建立前哨站已成為深空探索的新前沿,。由于地球引力大，使用傳統(tǒng)運輸方式向月球發(fā)送質(zhì)量是相當(dāng)昂貴的,。原位資源利用（ISRU）已成為開發(fā)支持長期原位探測技術(shù)的研究重點,，同時使月球探測具有可持續(xù)性。此外,，月球的惡劣環(huán)境,，如高真空、低重力和大溫差,，需要一種無人和自主的方法來建造基礎(chǔ)設(shè)施,。增材制造（AM，也稱為3D打�,。┫到y(tǒng)可以應(yīng)對上述惡劣環(huán)境,。在月球上，有很多地方不受大氣的影響保證陽光直射,，特別是在極地地區(qū)，一些隕石坑的邊緣全年接收幾乎恒定陽光,。月壤是月球地面的上層塵埃狀層,，厚度約為4~15m,。太陽光和月壤是月球表面直接可用的原位資源。太陽光聚光熔融月壤被視為建設(shè)月球基地的一個有前途的解決方案,。有效利用太陽光和月壤可以顯著減少攜帶到月球質(zhì)量,，降低月球基地的建設(shè)成本。星壤和太陽光也應(yīng)用提取水分和蓄熱儲能方面,。

圖1 太陽光聚光熔融月壤概念方案

為探索月球基地建設(shè)中月壤作為原材料的可能性,，國內(nèi)外學(xué)者通過對阿波羅和嫦娥五號等航天任務(wù)取樣的真實月壤樣品和地球上制備的各類模擬月壤開展了成型技術(shù)研究。NASA首次利用Apoll任務(wù)收集的40g月壤作為基料,，制備了抗壓強度約為75MPa的混凝土樣件,，但是嚴(yán)重依賴水和添加劑資源，眾所周知水和添加劑在月球比較難獲得,；其次,，1.0~1.2kPa量級的真空環(huán)境將造成月壤基水泥水硬性材料中水分的急劇汽化，影響基地的可建造性和力學(xué)性能等,。Toutanji等研究了使用硫基混合物（使用JSC-1月壤模擬物和二氧化硫作為主要骨料）來制造一種用作月球建筑的混凝土,。Cesaretti等通過D-shape方法原位生產(chǎn)棲息地的墻壁結(jié)構(gòu)，打印塊的壓縮強度是17~20MPa,。Meurisse等研究了太陽能燒結(jié)過程中不同掃描策略對樣品熱應(yīng)力的影響,，12個樣品力學(xué)性能測試結(jié)果顯示：平均抗壓強度（2.31±0.3）MPa，平均楊氏模量為（0.14±0.06）GPa,。王超等搭建一個靜電輸運模擬月壤聚光熔融模擬月壤的系統(tǒng),，并驗證此系統(tǒng)的可行性。王銳開展了太陽光熔融模擬月壤成型實驗,，獲得模擬月壤打印參數(shù)：層高3.5mm,，軌道間距2.5mm，光斑移動速度0.5mm/s,。最近,，研究者利用模擬月壤驗證了選擇性激光熔融（SLM）用于月球原位資源增材制造的可行性。粉末床中的模擬月壤顆粒在高能束激光照射下熔化,，然后凝固形成目標(biāo)樣品,。Goulas等測試了選擇性激光熔融打印的模擬月壤樣品的致密度、機械性能,，樣品相對孔隙率為44%~49%,，樣品的最大抗壓強度達(dá)到（4.2±0.1）MPa。但是,，上述方法成型樣品具有許多缺陷,，例如氣孔、裂紋和成球,，無法實現(xiàn)承載緊湊結(jié)構(gòu)的構(gòu)造,。

圖2 選擇性激光熔融模擬月壤的實驗系統(tǒng)

太陽光聚光熔融和選擇性激光熔融成型原理一致,，區(qū)別在于光源不同-光強分布、波長,、光束質(zhì)量等,。模擬月壤的可見光和近紅外光光譜吸收率大致相等，改變激光光強分布,，可改善高斯光斑帶來缺陷,，同時改變激光光斑大小可模擬太陽光光源。為滿足基地建設(shè)承力結(jié)構(gòu)的強度需要,，研究月壤成型窗口,，利用激光模擬太陽光聚光光斑來探索成型過程致密化的影響因素。采用模擬月壤CUG-1A為材料,，搭建選擇性激光熔融模擬月壤實驗系統(tǒng),，研究了激光功率、掃描速度,、首層粉末厚度對單條軌道形成的影響,。

2.文章梗概

月壤原位3D打印（增材制造）可實現(xiàn)月球基地的原位建造和關(guān)鍵部件的原位制造,，大幅降低月球探測任務(wù)的成本和風(fēng)險,。搭建了選擇性激光熔融模擬月壤實驗系統(tǒng)，開展單軌成型實驗,，探索激光功率,，掃描速度、首層粉末厚度對樣品致密化的影響,，同時測量了每條軌道的寬度和深度,。研究結(jié)果表明，單軌寬度隨著掃描速度的增高而下降,，直至幾乎不變,。同一激光功率下，單軌深度隨著首層粉末厚度增加而變深,。單軌深度隨著掃描速度的升高,，先升高后下降。單條熔道密度可以達(dá)到2.5g/cm3,，此時相對密度為86%,。隨著掃描速度增加，不同層厚單軌密度均穩(wěn)定在1.7g/cm3,。首層粉末厚度越薄時,，單軌密度也是略高于其他層厚。這些數(shù)據(jù)將為原位建造技術(shù)提供重要支撐。

3.總結(jié)與展望

采用模擬月壤CUG-1A搭建選擇性激光熔融月壤粉末的整體實驗系統(tǒng)來模擬太陽光聚光熔融月壤,，開展單軌成型實驗,，主要發(fā)現(xiàn)包括以下：

1）單軌寬度隨首層粉末層厚度,、激光功率的提高而變寬,。激光掃描速度上升導(dǎo)致單軌寬度逐漸下降。

2）同一激光功率下,，單軌深度隨著首層粉末厚度增加而變深,。單軌深度隨著掃描速度的升高，先升高后下降,，主要是激光穿透深度與熔體黏度的共同作用的結(jié)果,。

3）不同激光功率不同層厚單軌密度隨著掃描速度的增加呈指數(shù)變化。單軌密度可以達(dá)到2.5g/cm3,，此時相對密度為96%,。隨著掃描速度增加不同功率不同首層粉末厚度單軌密度均穩(wěn)定在1.7g/cm3。不同功率情況下首層粉末厚度越薄時,，單軌密度也是略高于其他層厚,。

02 作者簡介

劉祎煒，南京理工大學(xué)博士研究生,，研究方向為星壤原位建造與制造,。

姚偉，中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室研究員,，研究方向為地外資源利用,。

劉祎煒,張弦,王超,等.模擬月壤3D打印致密化成型研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù), 2023,43(6):66-73.

LIU Y W,ZHANG X,WANG C,et al.3D printing densification of lunar regolith simulant[J].Chinese Space Science and Technology,2023,43(6):66-73(in Chinese).