用火星風(fēng)化層也能進(jìn)行3D打��？

導(dǎo)讀：自從人類進(jìn)行空間探索開始以來，每項(xiàng)任務(wù)都非常昂貴。例如，美國國家航空航天局的航天飛機(jī)將一公斤有效載荷送入地球軌道的成本約為54000美元。在太空中制造和修復(fù)結(jié)構(gòu)部件的能力對于未來前往月球、火星和國際空間站以外的空間任務(wù)至關(guān)重要。為了使這一想法成為可能，增材制造（AM）技術(shù)可以利用現(xiàn)有的原地資源自下而上和逐層制造結(jié)構(gòu)。此外，如果結(jié)構(gòu)部件可以利用原位資源制造，則可以將所需的質(zhì)量負(fù)擔(dān)降至最低。



2022年9月，南極熊獲悉，來自華盛頓州立大學(xué)(WSU) 的研究人員開發(fā)了一種材料，可用于3D打印，以制造探索火星任務(wù)所需的設(shè)備。 他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《國際陶瓷應(yīng)用技術(shù)》期刊中，題目為《Martian regolith—Ti6Al4V composites via additivemanufacturing》，下面就跟隨南極熊一探究竟吧！

概括來說，研究人員通過將鈦與模擬的火星風(fēng)化層混合，創(chuàng)造出一種可用于3D打印的原材料。使用定向能量沉積 (DED) 3D 打印技術(shù)可以將其制造成具有更高阻力質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。若將研發(fā)的材料進(jìn)行進(jìn)一步迭代或者研究，該團(tuán)隊(duì)表示有可能在火星表面生產(chǎn)工具或火箭部件，而不是使用昂貴的NASA航天飛機(jī)將其運(yùn)輸。

太空經(jīng)濟(jì)制造

自從太空探索出現(xiàn)以來，WSU 團(tuán)隊(duì)表示，“太空作戰(zhàn)的各個(gè)方面”仍然非常昂貴。根據(jù)研究人員Ames Research Center的2018年的報(bào)告數(shù)據(jù)指出，使用NASA 的航天飛機(jī)將每1公斤有效載荷送入軌道的成本約為 54,000 美元。 因此，利用原地資源來確保未來太空任務(wù)的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。該研究的成員之一Amit Bandyopadhyay指出，這樣做不僅是必要的，而且它降低了許多可能產(chǎn)生的“后勤”問題，比如“如果我們忘記了某些東西，我們就不能回來拿�！�


△美國宇航局的火星探測器取風(fēng)化層樣本進(jìn)行分析，以及定向能量沉積 (DED) 處理示意圖

正如科學(xué)家們在他們的論文中強(qiáng)調(diào)的那樣，3D打印被認(rèn)為是制造和維修設(shè)備的一種手段，但其中的某些技術(shù)仍有待研究。例如，使用 DED技術(shù)打印純風(fēng)化層結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵摬牧系奶沾沙煞志哂?strong>高熔點(diǎn)、低激光吸收和易斷裂的特性。這些特性意味著 DED 打印的風(fēng)化層部件會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫或氣孔，導(dǎo)致它們的涂層界面強(qiáng)度較差。先前的研究還表明，火星塵埃的磨損會(huì)影響未來建筑的可行性。為了解決這些問題，該團(tuán)隊(duì)通過將模擬火星塵埃與不同形式的鈦混提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。


△圖片來自華盛頓州立大學(xué)。

創(chuàng)建鈦-風(fēng)化層復(fù)合材料

為了確定碎火星巖石和鈦的最佳混合物，WSU 團(tuán)隊(duì)將Tekna Ti64 粉末添加到不同濃度的風(fēng)化層模擬物中，然后將所得顆粒篩分成各種粒度。 初步測試表明，加載鈦的混合物能夠在現(xiàn)有部件上形成約 2 毫米的涂層，這比純風(fēng)化層可能的200微米覆蓋層要厚得多。研究人員還發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)化層的陶瓷含量與 Ti64 粉末之間存在“熱失配”，前者的含量越高，越容易出現(xiàn)裂紋。


△涂層質(zhì)量

當(dāng)談到強(qiáng)度時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在鈦中添加模擬火星塵�？梢允蛊浔�3D打印成具有兩倍顯微硬度的結(jié)構(gòu)。研究小組認(rèn)為，這是由于沉積時(shí)在其材料中觀察到的細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)的快速凝固和形成，以及循環(huán)熱積累和風(fēng)化層的陶瓷含量的結(jié)果。

展望未來，Bandyopadhyay打算繼續(xù)他們的國家科學(xué)基金會(huì)(NSF) 支持的研究，以開發(fā)風(fēng)化層復(fù)合材料。通過試驗(yàn)不同的金屬和 3D 打印工藝，科學(xué)家們最終的目標(biāo)是找到適合生產(chǎn)用于太空應(yīng)用的輕質(zhì)承重部件的材料。

Bandyopadhyay 總結(jié)道：“WSU 復(fù)合材料可以提供更好、更高強(qiáng)度和硬度的材料，因此它可以在某些實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)得更出色，我們的研究應(yīng)該朝這個(gè)方向展開，因?yàn)樗�不僅能夠制造脆弱的塑料部件，而且能夠制造堅(jiān)固的金屬陶瓷復(fù)合部件，可用于任何類型的結(jié)構(gòu)部件。”


△Redwire 風(fēng)化層打印設(shè)施套件，包括 Redwire 的增材制造設(shè)施，以及打印頭、印版和月球風(fēng)化層模擬原料。

建立風(fēng)化層的 3D 可打印性

●作為去年公布的項(xiàng)目的一部分，Redwire 的 Regolith Print 平臺(tái)已安裝在國際空間站上，用于測試 3D 打印的月球建造能力。

●在不倫瑞克工業(yè)大學(xué)和漢諾威激光中心，科學(xué)家們首次在零重力下進(jìn)行了3D打印的月球風(fēng)化層實(shí)驗(yàn)。通過他們代號為“MOONRISE”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)法將定制激光器安裝到月球車上，并將月塵融化成球形。

●德克薩斯建筑公司ICON已分包建造3D 打印的 NASA 模擬火星棲息地。該 1,700 平方英尺的結(jié)構(gòu)是為NASA 約翰遜航天中心的長期任務(wù)模擬而開發(fā)的。

原文鏈接：DOI: 10.1111/ijac.1413