《 中國空間科學技術》模擬月壤3D打印致密化成型研究

來源：中國空間科學技術

01 文章導讀

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)送質量是相當昂貴的。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設施。增材制造（AM，也稱為3D打印）系統(tǒng)可以應對上述惡劣環(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量，降低月球基地的建設成本。星壤和太陽光也應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中月壤作為原材料的可能性，國內外學者通過對阿波羅和嫦娥五號等航天任務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研究。NASA首次利用Apoll任務收集的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)棲息地的墻壁結構，打印塊的壓縮強度是17~20MPa。Meurisse等研究了太陽能燒結過程中不同掃描策略對樣品熱應力的影響，12個樣品力學性能測試結果顯示：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)承載緊湊結構的構造。

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。為滿足基地建設承力結構的強度需要，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鍵部件的原位制造，大幅降低月球探測任務的成本和風險。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)將為原位建造技術提供重要支撐。

3.總結與展望

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，中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室研究員，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].中國空間科學技術, 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).