《 中国空间科学技术》模拟月壤3D打印致密化成型研究

01 文章导读
1.研究背景
     月球蕴藏着丰富的矿产和能源资源，可能赋存71.5万吨氦-3、70万亿吨二氧化钛和其他矿产资源，并拥有重要的位置资源，如在月球空间通信、探索和科学实验。在月球上建立前哨站已成为深空探索的新前沿。由于地球引力大，使用传统运输方式向月球发送质量是相当昂贵的。原位资源利用（ISRU）已成为开发支持长期原位探测技术的研究重点，同时使月球探测具有可持续性。此外，月球的恶劣环境，如高真空、低重力和大温差，需要一种无人和自主的方法来建造基础设施。增材制造（AM，也称为3D打印）系统可以应对上述恶劣环境。在月球上，有很多地方不受大气的影响保证阳光直射，特别是在极地地区，一些陨石坑的边缘全年接收几乎恒定阳光。月壤是月球地面的上层尘埃状层，厚度约为4~15m。太阳光和月壤是月球表面直接可用的原位资源。太阳光聚光熔融月壤被视为建设月球基地的一个有前途的解决方案。有效利用太阳光和月壤可以显著减少携带到月球质量，降低月球基地的建设成本。星壤和太阳光也应用提取水分和蓄热储能方面。

为探索月球基地建设中月壤作为原材料的可能性，国内外学者通过对阿波罗和嫦娥五号等航天任务取样的真实月壤样品和地球上制备的各类模拟月壤开展了成型技术研究。NASA首次利用Apoll任务收集的40g月壤作为基料，制备了抗压强度约为75MPa的混凝土样件，但是严重依赖水和添加剂资源，众所周知水和添加剂在月球比较难获得；其次，1.0~1.2kPa量级的真空环境将造成月壤基水泥水硬性材料中水分的急剧汽化，影响基地的可建造性和力学性能等。Toutanji等研究了使用硫基混合物（使用JSC-1月壤模拟物和二氧化硫作为主要骨料）来制造一种用作月球建筑的混凝土。Cesaretti等通过D-shape方法原位生产栖息地的墙壁结构，打印块的压缩强度是17~20MPa。Meurisse等研究了太阳能烧结过程中不同扫描策略对样品热应力的影响，12个样品力学性能测试结果显示：平均抗压强度（2.31±0.3）MPa，平均杨氏模量为（0.14±0.06）GPa。王超等搭建一个静电输运模拟月壤聚光熔融模拟月壤的系统，并验证此系统的可行性。王锐开展了太阳光熔融模拟月壤成型实验，获得模拟月壤打印参数：层高3.5mm，轨道间距2.5mm，光斑移动速度0.5mm/s。最近，研究者利用模拟月壤验证了选择性激光熔融（SLM）用于月球原位资源增材制造的可行性。粉末床中的模拟月壤颗粒在高能束激光照射下熔化，然后凝固形成目标样品。Goulas等测试了选择性激光熔融打印的模拟月壤样品的致密度、机械性能，样品相对孔隙率为44%~49%，样品的最大抗压强度达到（4.2±0.1）MPa。但是，上述方法成型样品具有许多缺陷，例如气孔、裂纹和成球，无法实现承载紧凑结构的构造。

太阳光聚光熔融和选择性激光熔融成型原理一致，区别在于光源不同-光强分布、波长、光束质量等。模拟月壤的可见光和近红外光光谱吸收率大致相等，改变激光光强分布，可改善高斯光斑带来缺陷，同时改变激光光斑大小可模拟太阳光光源。为满足基地建设承力结构的强度需要，研究月壤成型窗口，利用激光模拟太阳光聚光光斑来探索成型过程致密化的影响因素。采用模拟月壤CUG-1A为材料，搭建选择性激光熔融模拟月壤实验系统，研究了激光功率、扫描速度、首层粉末厚度对单条轨道形成的影响。

2.文章梗概

月壤原位3D打印（增材制造）可实现月球基地的原位建造和关键部件的原位制造，大幅降低月球探测任务的成本和风险。搭建了选择性激光熔融模拟月壤实验系统，开展单轨成型实验，探索激光功率，扫描速度、首层粉末厚度对样品致密化的影响，同时测量了每条轨道的宽度和深度。研究结果表明，单轨宽度随着扫描速度的增高而下降，直至几乎不变。同一激光功率下，单轨深度随着首层粉末厚度增加而变深。单轨深度随着扫描速度的升高，先升高后下降。单条熔道密度可以达到2.5g/cm3，此时相对密度为86%。随着扫描速度增加，不同层厚单轨密度均稳定在1.7g/cm3。首层粉末厚度越薄时，单轨密度也是略高于其他层厚。这些数据将为原位建造技术提供重要支撑。

3.总结与展望

采用模拟月壤CUG-1A搭建选择性激光熔融月壤粉末的整体实验系统来模拟太阳光聚光熔融月壤，开展单轨成型实验，主要发现包括以下：

1）单轨宽度随首层粉末层厚度、激光功率的提高而变宽。激光扫描速度上升导致单轨宽度逐渐下降。

2）同一激光功率下，单轨深度随着首层粉末厚度增加而变深。单轨深度随着扫描速度的升高，先升高后下降，主要是激光穿透深度与熔体黏度的共同作用的结果。

3）不同激光功率不同层厚单轨密度随着扫描速度的增加呈指数变化。单轨密度可以达到2.5g/cm3，此时相对密度为96%。随着扫描速度增加不同功率不同首层粉末厚度单轨密度均稳定在1.7g/cm3。不同功率情况下首层粉末厚度越薄时，单轨密度也是略高于其他层厚。

02 作者简介

刘祎炜，南京理工大学博士研究生，研究方向为星壤原位建造与制造。

姚伟，中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室研究员，研究方向为地外资源利用。

刘祎炜,张弦,王超,等.模拟月壤3D打印致密化成型研究[J].中国空间科学技术, 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).