模擬月壤3D打印！有望實(shí)現(xiàn)月球原位打印！

模擬月壤3D打印！有望實(shí)現(xiàn)月球原位打印！

21世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)陸續(xù)開展了多次探月登月活動(dòng)，并對(duì)未來(lái)月球基地的開發(fā)進(jìn)行了規(guī)劃，其中建設(shè)月球基地是重要組成部分。20 世紀(jì) 80 年代NASA 首先提出并開始實(shí)施“原位資源利用 (ISRU)”計(jì)劃，歐洲航天局（ESA）及我國(guó)某些高校和研究所后續(xù)也在月面設(shè)施原位制造技術(shù)領(lǐng)域取得了階段性成就。

中國(guó)空間技術(shù)研究院的錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員搭建了以CUG-1A 模擬月壤為原料的激光熔融成型（SLM）原理試驗(yàn)系統(tǒng)，并開展了常規(guī)環(huán)境工藝參數(shù)的初步試驗(yàn)。

結(jié)果顯示：激光功率和掃描速度影響激光熔融深度和直徑，是模擬月壤激光熔融成型的關(guān)鍵工藝參數(shù)；模擬月壤熔融成型過(guò)程易出現(xiàn)孔洞、球化等典型缺陷，需要進(jìn)一步對(duì)月壤激光相變機(jī)理和上述成型工藝參數(shù)進(jìn)行解析優(yōu)化。

材料

該實(shí)驗(yàn)所用的模擬月壤為CUG-1A，采用 X 射線能譜儀（EDS）測(cè)試得到該模擬月壤的主要元素含量如圖所示。

裝置

實(shí)驗(yàn)人員自行搭建模擬月壤激光熔融成型工藝試驗(yàn)裝置，如下圖所示，該裝置主要由激光器、二維平面運(yùn)動(dòng)支架和模擬月壤樣品坩堝容器組成。激光器聚焦光斑直徑約1.5mm,輸出波長(zhǎng)940nm。模擬月壤采用振動(dòng)壓實(shí)方法放置在坩堝容器內(nèi)，鋪粉厚度10mm。

實(shí)驗(yàn)分別完成了 10W、20W、30W、40W 和50W 激光輸出功率，0.625 mm·s-1 和 1 mm·s-1激光掃描速度下的模擬月壤熔融成型試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)游標(biāo)卡尺多次測(cè)量，得到成型件的平均寬度和厚度，用來(lái)表征激光熔融直徑和熔融深度。

結(jié)果及討論

不同輸出功率和掃描速度條件下的熔融直徑，如下圖所示。

可以看出，在較小激光輸出功率（10 W）條件下，模擬月壤即可實(shí)現(xiàn)部分熔融成型；模擬月壤的激光熔融直徑隨著激光輸出功率的增加和掃描速度的降低而增大；低輸出功率和高掃描速度能夠有效減小模擬月壤熔融過(guò)程的熱影響區(qū)域，對(duì)于高精度成型具有重要參考作用。

不同輸出功率和掃描速度條件下的熔融深度，如下圖所示。

與模擬月壤激光熔融直徑變化規(guī)律相似，模擬月壤激光熔融深度隨著激光輸出功率的增加和激光掃描速度的降低而增加。

模擬月壤激光熔融成型試樣的典型缺陷特征，如下圖所示。

結(jié)論與展望

1）月壤的異形、復(fù)雜級(jí)配關(guān)系和多組分等顆粒材料特征對(duì)月壤 3D 打印成型構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。

2）現(xiàn)有月壤激光 3D 打印成型工藝方法制備得到的模擬月壤成型件普遍存在氣孔、裂紋等缺陷特征，成型工藝方法和具體參數(shù)還需深入研究。

3）在給定激光器輸出波長(zhǎng)和聚焦光斑直徑的條件下，激光輸出功率和掃描速度直接影響激光熔融直徑和熔融深度，高激光功率密度和低掃描速度配合的成型策略獲得的激光熔融直徑和熔融深度較大，且由于激光能量沉積過(guò)大，導(dǎo)致成型過(guò)程易出現(xiàn)擊穿孔洞缺陷。

后續(xù)須拓展成型工藝參數(shù)選擇范圍，加強(qiáng)模擬月壤激光熔融過(guò)程機(jī)理研究和月面典型環(huán)境模擬試驗(yàn)，以更好支撐月壤激光 3D 打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可以查看原文。

改編原文：王超,張光,呂曉辰,姚偉.模擬月壤激光熔融成型工藝參數(shù)試驗(yàn)初探[J].航天器環(huán)境工程,2021,38(05):575-580.