模拟月壤3D打印！有望实现月球原位打印！

模拟月壤3D打印！有望实现月球原位打印！

21世纪以来，各国陆续开展了多次探月登月活动，并对未来月球基地的开发进行了规划，其中建设月球基地是重要组成部分。20 世纪 80 年代NASA 首先提出并开始实施“原位资源利用 (ISRU)”计划，欧洲航天局（ESA）及我国某些高校和研究所后续也在月面设施原位制造技术领域取得了阶段性成就。

中国空间技术研究院的钱学森空间技术实验室的研究人员搭建了以CUG-1A 模拟月壤为原料的激光熔融成型（SLM）原理试验系统，并开展了常规环境工艺参数的初步试验。

结果显示：激光功率和扫描速度影响激光熔融深度和直径，是模拟月壤激光熔融成型的关键工艺参数；模拟月壤熔融成型过程易出现孔洞、球化等典型缺陷，需要进一步对月壤激光相变机理和上述成型工艺参数进行解析优化。

材料

该实验所用的模拟月壤为CUG-1A，采用 X 射线能谱仪（EDS）测试得到该模拟月壤的主要元素含量如图所示。

装置

实验人员自行搭建模拟月壤激光熔融成型工艺试验装置，如下图所示，该装置主要由激光器、二维平面运动支架和模拟月壤样品坩埚容器组成。激光器聚焦光斑直径约1.5mm,输出波长940nm。模拟月壤采用振动压实方法放置在坩埚容器内，铺粉厚度10mm。

实验分别完成了 10W、20W、30W、40W 和50W 激光输出功率，0.625 mm·s-1 和 1 mm·s-1激光扫描速度下的模拟月壤熔融成型试验。试验通过游标卡尺多次测量，得到成型件的平均宽度和厚度，用来表征激光熔融直径和熔融深度。

结果及讨论

不同输出功率和扫描速度条件下的熔融直径，如下图所示。

可以看出，在较小激光输出功率（10 W）条件下，模拟月壤即可实现部分熔融成型；模拟月壤的激光熔融直径随着激光输出功率的增加和扫描速度的降低而增大；低输出功率和高扫描速度能够有效减小模拟月壤熔融过程的热影响区域，对于高精度成型具有重要参考作用。

不同输出功率和扫描速度条件下的熔融深度，如下图所示。

与模拟月壤激光熔融直径变化规律相似，模拟月壤激光熔融深度随着激光输出功率的增加和激光扫描速度的降低而增加。

模拟月壤激光熔融成型试样的典型缺陷特征，如下图所示。

结论与展望

1）月壤的异形、复杂级配关系和多组分等颗粒材料特征对月壤 3D 打印成型构成巨大挑战。

2）现有月壤激光 3D 打印成型工艺方法制备得到的模拟月壤成型件普遍存在气孔、裂纹等缺陷特征，成型工艺方法和具体参数还需深入研究。

3）在给定激光器输出波长和聚焦光斑直径的条件下，激光输出功率和扫描速度直接影响激光熔融直径和熔融深度，高激光功率密度和低扫描速度配合的成型策略获得的激光熔融直径和熔融深度较大，且由于激光能量沉积过大，导致成型过程易出现击穿孔洞缺陷。

后续须拓展成型工艺参数选择范围，加强模拟月壤激光熔融过程机理研究和月面典型环境模拟试验，以更好支撑月壤激光 3D 打印技术的发展与应用。

注：本文内容呈现略有调整，若需可以查看原文。

改编原文：王超,张光,吕晓辰,姚伟.模拟月壤激光熔融成型工艺参数试验初探[J].航天器环境工程,2021,38(05):575-580.