模擬月壤3D打��！有望實現(xiàn)月球原位打��！

模擬月壤3D打�。∮型麑崿F(xiàn)月球原位打�。�

21世紀以來，各國陸續(xù)開展了多次探月登月活動，并對未來月球基地的開發(fā)進行了規(guī)劃，其中建設月球基地是重要組成部分。20 世紀 80 年代NASA 首先提出并開始實施“原位資源利用 (ISRU)”計劃，歐洲航天局（ESA）及我國某些高校和研究所后續(xù)也在月面設施原位制造技術領域取得了階段性成就。

中國空間技術研究院的錢學森空間技術實驗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）原理試驗系統(tǒng)，并開展了常規(guī)環(huán)境工藝參數(shù)的初步試驗。

結果顯示：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鍵工藝參數(shù)；模擬月壤熔融成型過程易出現(xiàn)孔洞、球化等典型缺陷，需要進一步對月壤激光相變機理和上述成型工藝參數(shù)進行解析優(yōu)化。

材料

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

裝置

實驗人員自行搭建模擬月壤激光熔融成型工藝試驗裝置，如下圖所示，該裝置主要由激光器、二維平面運動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940nm。模擬月壤采用振動壓實方法放置在坩堝容器內(nèi)，鋪粉厚度10mm。

實驗分別完成了 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。試驗通過游標卡尺多次測量，得到成型件的平均寬度和厚度，用來表征激光熔融直徑和熔融深度。

結果及討論

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程的熱影響區(qū)域，對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。

結論與展望

1）月壤的異形、復雜級配關系和多組分等顆粒材料特征對月壤 3D 打印成型構成巨大挑戰(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大，導致成型過程易出現(xiàn)擊穿孔洞缺陷。

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

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)試驗初探[J].航天器環(huán)境工程,2021,38(05):575-580.