基于SLM 的模擬月壤原位成形技術

李雯，徐可寧，黃勇，胡文穎，王道寬，姚思齊

（1.中國航空發動機研究院，北京101304； 2.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100083；3.北京科技大學 新材料技術研究院，北京100083）

激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）是隨著激光技術發展及高亮度光纖激光器出現，從激光選區燒結（Selective Laser Sintering，SLS）發展起來的一種增材制造技術。SLM 利用高能束激光逐層照射預先鋪覆好的粉層顆粒，使其熔化并固化成形，最終形成致密的三維零件。近年來，SLM在航空航天領域獲得應用［1］。

21世紀伊始，人類迎來了新一輪的探月高潮。美國國家航空航天局（NASA）提出了“重返月球、建立月球永久性基地”計劃；歐洲航天局（ESA）制定了“極光”計劃，其主要任務是載人登月，建立月球基地，并以月球為跳板實施載人火星探測任務。月球基地建設對人類未來深空探測任務具有重要的軍事和經濟價值［2］：①為長期的空間科學與技術研究提供真實可靠的實驗環境，促進空間技術發展；②作為人類深空探測的前哨和補給站，拓展人類深空探測范圍；③作為太空移民的實驗基地，促進相關工程技術研究和發展。然而，月球基地建設尚存在諸多技術挑戰，其中如何克服運載火箭空間和有效載荷的限制并最大限度地節約建設周期和經濟成本是亟待解決的關鍵問題。據估算，在月球建設一個與國際空間站規模相同的永久性基地（重約450 t），僅“地-月”運輸成本就高達50億美元［3］。

原位資源利用（In-Situ Resource Utilization，ISRU）概念最早由NASA提出，旨在通過勘測、獲取、利用地外天體的天然或廢棄資源，增強人類在地外空間的自給自足能力，最大限度地減少對地球供給的依賴，從而使人類真正走出地球，邁向深空，并實現可持續發展過程［4］。月球ISRU技術是實現月球表面大規模、復雜多樣基礎設施建設的重要途徑，也為實現專用工具和維修零件月面原位制造提供嶄新的解決思路，具有重要的經濟和軍事研究價值。目前，美、德、英等國均有科研機構開展了月面原位成形技術研究，采用不同的成形設備和工藝，以模擬月壤為主要原材料，在地球實驗室環境下探索月壤原位成形技術的可行性，并提出了堆積、燒結、熔融、模壓、粘結等多種成形方法［5］。研究發現，以高能束激光作為熱源的SLM成形技術具有成形所需能量小、自動化程度高、適用于粉體加工、成形幾何精度高、力學性能好等優點，因此在利用月球風化層資源實現不同規模和復雜程度的結構件月面原位制造方面具有較好應用前景。利用特殊設計的SLM設備（滿足環境適應性），使用月球豐富的風化層資源，在月球表面原位制造出不同規模和復雜程度的三維結構（如結構單元、維修工具和零件），可以滿足長期無人/載人月面探測任務、月球基地可持續發展的需要［6-10］。最近5年，該領域研究受到國際航空航天研究機構的廣泛關注，成為深空探測技術研究的熱點問題，是未來“空間制造”的重要發展方向之一。

本文以一種與典型月海風化層物質物理力學屬性相近的模擬月壤為研究對象，采用地基實驗研究方法，探索SLM 成形技術與ISRU概念相結合實現月壤原位制造的技術可行性，并對成形件幾何精度、力學性能進行評估。研究成果可為中國探月工程及未來月球基地建設提供理論指導和技術支撐。

1 模擬月壤特性分析

地基和空基對月遙感信息及Apollo、Luna月面探測結果均顯示，月球表面普遍覆蓋著一層結構松散、顆粒細小、厚度達數米至數十米的月球風化層物質。其中，粒徑小于10 mm的月球風化層物質被稱為月壤。月壤是月巖空間風化作用和隕石高速撞擊作用下形成的混合體物質，其顆粒礦物組成與其所處區域的月巖化學成分和礦物組成密切相關。月壤按照起源可分為月海玄武巖起源、月球高地起源、月海和高地混合源3種類型［11-12］。月壤的基本物質類型包括礦物碎屑（橄欖石、斜長石、單斜輝石、鈦鐵礦等）、原始結晶巖碎屑（玄武巖、斜長巖、橄欖巖、蘇長巖等）、角礫巖碎屑、各種玻璃（撞擊玻璃、黃色或黑色火成碎屑玻璃）、黏合集塊巖、隕石碎片（隕硫鐵、橄欖石、輝石、錐紋石、鎳紋石、合紋石）［13］，化學成分主 要 是 SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO等［11-12］。

月壤返回樣品極為珍貴，即使是擁有381.7 kg月壤返回樣品的美國也嚴格控制其使用范圍，并規定月壤返回樣品僅可用于非破壞性的科學實驗研究。為此，國內外研究機構以Apollo計劃不同登月點月壤返回樣品的實驗數據為依據，結合不同的科研任務目標，研制了多種模擬月壤。中國多家科研機構以嫦娥探月工程技術發展為牽引，研制了不同類型的模擬月壤。其中，中國空間技術研究院利用吉林省靖宇地區的火山灰為原料，研制出了TYII-0工程模擬月壤，其主要礦物相為橄欖石、輝石、長石、鈦鐵礦，并含有大量的玻璃質。模擬月壤具有與典型月海月壤相近的物理力學屬性：顆粒密度2 900 kg/m3，內聚力0 kPa，內摩擦角40°，中值粒徑100μm［14］。另外，這種以火山灰為原料研制的模擬月壤具有復雜的顆粒形態，從球形到極端棱角狀都有出現，如圖1所示，4種最常見的顆粒形態包括長條形、次棱角形、棱角形、次圓形［15］。

本文將以上述模擬月壤作為原材料，在實驗室環境下（暫不考慮月球重力環境），開展基于SLM 的模擬月壤原位成形技術實驗探索研究。目前，國內針對模擬月壤物理力學屬性的實驗研究主要聚焦在土力學、地面力學等方面，主要用于為月面巡視探測器行走機構設計及性能評估、月面探測設備研制、月面除塵技術發展提供數據支撐，而針對SLM成形技術研究的模擬月壤物理力學屬性相關實驗數據較少。因此，本文將首先開展相關實驗研究，分析測量模擬月壤的化學成分、光譜吸收特性（吸收曲線）、質量熱穩定性（TGA曲線）及熔點溫度（DSC曲線）等物理屬性，用于指導SLM 成形設備及工藝參數選取，并為后續SLM鋪粉與成形過程熱離散元建模與仿真研究、模擬月壤原位成形技術發展提供數據支撐。

1.1 礦物組成及化學成分分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）JSM-6510配備的能譜儀（EDS）對模擬月壤化學成分進行實驗分析。從EDS結果可知，模擬月壤的元素種類包含O、Si、Fe、Ti、Al、Mg、Ca、Na等；主要相的成分為SiO2、CaO、MgO、Al2O3、FeO等；與Apollo-12登月點月壤采集樣品（A12）的化學成分和礦物組成接近（見表1）。

質量分數化學元素/%模擬月壤 A12月壤［11］36.48 46.31 Si 23.38 21.60 Fe 8.89 11.70 Ti 1.01 1.80 Al 2.78 3.40 Cr 0.12 Mn 0.15 Mg 7.26 5.60 Ca 12.22 7.60 Na 0.85 0.40 K 0.26 P 0.17 O S 0.12

吸收光譜是材料在某些頻率上對電磁輻射的吸收所呈現的比率，與發射光譜相對。不同波長光對樣品作用不同，吸收強度也不同，通常用一個無量綱標量“吸收率A”定量描述，定義為吸收的輻射與入射的輻射比值。材料吸收率越高，則發生熔融所需的輸入能量越小，因此，吸收率可以作為SLM工藝參數選取和優化的參考。本文利用PerkinElmer Lambda 950紫外/可見/近紅外分光光度計，在惰性氣體環境下（避免地球大氣環境中CO2、H2O對測量結果的影響），測量了模擬月壤實驗粉的光譜吸收特性，其吸收曲線如圖2所示。

從實驗獲得的吸收曲線可知，模擬月壤在紫外/可見/近紅外光區（波長λ=200～2 500 nm）具有較高的光吸收能力。在紫外光區，模擬月壤吸收率存在1個峰值點（A=0.98，λ=249 nm）；在可見光區，吸收率隨波長單調遞減，從0.72降低到0.63；在近紅外光區，吸收率隨波長非線性

1.2 吸收光譜分析

變化，幅值范圍為0.50～0.69；SLM 配備的IPG光纖激光器工作波長λ=1 070 nm，模擬月壤吸收率測量值為0.68，低于JSC-1AC模擬月壤測量值［7］。另外需要特別指出的是，模擬月壤在紫外/可見/近紅外光區均表現出較高的光吸收能力，而根據月球表面太陽輻射數據可知，月表太陽輻射強度為1358～1421 W/m2［16］，約為地球太陽輻射強度的15 000倍，開展以太陽光為熱源的SLM設備研制將可有效解決地外空間原位制造技術對可持續能源供給的需求，該研究將是未來發展的又一重要研究方向。

1.3 熱分析

利用DSC-TGA同步熱分析儀SDT Q600，對模擬月壤進行熱重分析（Thermo-Gravimetry Analysis，TGA）和差示掃描量熱分析（Difference Scanning Calorimetry，DSC）。通過TGA判斷模擬月壤實驗粉中是否存在揮發成分；通過DSC分析確定材料的熔點溫度。圖3為模擬月壤TGA曲線，圖4為模擬月壤DSC曲線，升溫速度為20℃/min。

圖3 模擬月壤TGA曲線Fig.3 TGA curve of lunar regolith simulant

如圖3所示，在25～1 200℃溫度范圍，模擬月壤的質量變化很小，最大失重率僅為0.32%，具有良好的質量熱穩定性，有利于在SLM成形過程中形成均勻致密的組織結構，降低成形件表面及內部產生缺陷的風險。模擬月壤在寬溫域范圍保持低失重率的原因可以解釋為：實驗粉主要礦物成分為橄欖石、輝石、長石、鈦鐵礦、玻璃質，其在1200℃以下的揮發性小。在25～300℃溫度范圍，模擬月壤發生的質量損失主要源于吸附在顆粒表面、顆粒-顆粒之間、顆粒多孔結構內部的液態水的蒸發；此后出現的質量損失主要源于模擬月壤中微量組分發生汽化所致。因此，在SLM成形工藝參數選取中，要避免過高的能量輸入，否則粉床內顆?？赡馨l生汽化現象，形成局部缺陷。

如圖4所示，模擬月壤的一個主要吸熱峰值位于1 050℃，可以將其作為實驗粉材的熔點溫度，其與JSC-1AC 模擬月壤的熔點溫度接近（Tm=1 120℃［7］）。

1.4 粒度分布

利用激光粒度分布儀BT-9300S測量了模擬月壤原始粉的粒度分布，并通過粒徑級配曲線（見圖5）描述。可見，模擬月壤原始粉的粒度分布范圍較廣，從亞微米到數百微米的顆粒粒徑均存在。其中，等效粒徑的最大、最小值分別為716μm、0.497μm；中值粒徑（D50）為116.0μm（與文獻［14］略有差別），粒徑小于231.5μm的顆粒占總質量比的90%（D90=231.5μm）；粒徑小于54.4μm的顆粒占總質量比的10%（D10=54.4μm）。

圖5 模擬月壤的粒徑級配曲線Fig.5 Particle size distribution curves of lunar regolith simulant

2 SLM 實驗方法

2.1 模擬月壤預處理

大量研究表明，顆粒形態、粒徑級配是影響顆粒系統流動性的重要因素。復雜顆粒形態可以增加顆粒間的切向接觸力，產生互鎖現象；細顆粒間的范德華力、靜電力對顆粒接觸力學、動力學行為影響顯著，將增加顆粒-顆粒、顆粒-壁面之間的粘附強度，形成顆粒團聚、壁面沉積現象。在SLM鋪粉過程中，粉材流動性對所形成粉床質量存在顯著影響，流動性差的粉材會降低粉床內局部區域的顆粒配位數，形成不均勻排列的顆粒系統，在宏觀上表現為非均質且各向異性的粉層；粉床質量差會引起SLM 成形過程中出現不連續的熔池和孔洞，造成成形件表面粗糙、內部存在缺陷、致密度低。因此，本文在開展SLM 實驗研究以前，首先需要制備出具有較好流動性的模擬月壤實驗粉。具體思路如下：以TYII-0模擬月壤原始粉作為基礎材料，通過機械分選處理，獲得不同粒徑級配的粉體材料，再通過實驗和數值仿真相結合的方法，合理選取粒度分布范圍，以確保實驗粉在SLM鋪粉過程中具有好的流動性，從而形成結構均勻致密的粉層。

本文選用一種氣流磨設備對模擬月壤原始粉進行分級處理，獲得不同粒徑級配的實驗粉，再通過流動性實驗與離散元數值仿真相結合的方法，確定具有最佳流動性的粒度分布范圍。研究結果表明，當等效粒徑控制在70～120μm范圍時，實驗粉的流動性最好。因此，在SLM成形技術實驗研究中，將使用粒度分布在70～120μm 的實驗粉。

2.2 SLM 工藝參數確定

選用德國Solutions SLM125成形設備，開展模擬月壤的SLM 實驗研究。SLM125配置的IPG光纖激光器工作波長為1 070 nm，最大輸出功率為400 W，可調光斑直徑為70～100μm，最大成形尺寸為125 mm×125 mm×125 mm。在激光器的工作波長，實驗粉的光吸收率為0.68。

陶瓷和玻璃材料的SLM成形研究表明，若要獲得幾何精度好的成形件，需要將激光體積能量密度控制在相對低的水平，因為激光體積能量密度較高時，粉床中的顆粒完全熔化，導致熔池周圍出現收縮、球化效應，形成熱影響區。但是，若要獲得力學性能好的成形件，則需要將激光體積能量密度控制在相對高的水平，因為穩定的熔池將形成致密的成形件，使其密度接近原始材料密度。本文開展SLM成形工藝參數研究的目標是：使用最小的激光輸出功率，以最快的速度完成SLM成形，并保證成形件具有合理的幾何精度及可接受的力學性能。前人研究發現，SLM 成形件質量與多個工藝參數相關，這些參數都會對熔池產生影響，但又無法通過串行方式對其進行逐個優化。為此，本文引入激光體積能量密度Ed，其常用于描述單位體積材料施加的平均能量，數學表達式為［17］

式中：Ed為激光體積能量密度；P為激光輸出功率，W；v為激光掃描速度；HD為激光掃描間距；LT為鋪粉層厚。

基于Goulas和Friel［18］利用JSC-1AC模擬月壤和SLM設備成功制造出3D零件所用的工藝參數，初步確定式（1）各個變量值，再利用SLM125設備和本文制備的模擬月壤，開展一系列的標準樣件（5 mm×5 mm）SLM成形測試，最終確定本文的最佳工藝參數，如表2所示。研究發現，當激光體積能量密度Ed=15 J/mm3時，成形件幾何精度高；但當激光體積能量密度增加到50 J/mm3時，成形件產生了嚴重的翹曲變形。

參數 數值 參考值［17］/W 40 10～50激光工作波長λ/μm 1.07 1.07～1.09激光光斑直徑φ/μm 70 100～300激光掃描速度v/（mm·s-1） 190 20～300激光掃描間距H D/μm 140 210～300鋪粉層厚L T/μm 100 100～350基板預熱溫度T激光輸出功率P/℃ 200 200

3 結果分析

3.1 模擬月壤SLM 成形技術驗證

利用SLM125成形設備和制備的模擬月壤粉體材料，在地球重力條件下開展了模擬月壤原位成形技術探索實驗研究。結果顯示，在較低激光輸出功率（P=40 W）、較快加工速度下，可以成功3D打印出具有復雜幾何特征的齒輪和扳手模型（見圖6）。另外，為了定量評價SLM 成形件的幾何精度，以齒輪的中心圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑為研究對象，選取5個測點位置對上述參數進行測量，并取其平均值與齒輪設計值進行對比，結果如表3所示。結果顯示，利用SLM 設備及優化的工藝參數和粒度分布的模擬月壤粉體材料，可以成功制造出具有高幾何精度的3D零件，因此證明了基于SLM 的模擬月壤原位成形技術的可行性，這將為解決月球基地大規模建設工程問題及載人/無人月面長期探測任務中維修零件和工具現場制造問題提供了有效途徑。但需要指出的是，本文實驗是在傳統SLM 設備上開展的，沒有引入月面低重力、高真空環境因素，后續計劃開展考慮月面環境適應性的相關實驗及仿真研究，測量模擬月壤在高真空環境下的熱物性、低重力環境對粉床形成的作用機制，以及多因素協同對SLM成形件質量的影響等。

參數 中心圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑設計值/mm 44.19 39.00 26.00測量平均值/mm 44.28 39.36 25.75

3.2 壓縮強度分析

基于SLM的月壤原位成形技術研究目標是：利用月球表面豐富的月壤資源，采用增材制造方法，在月球表面制造出具有高幾何精度和良好力學性能的結構單元及功能零件，以實現月球基地和月面探測器的自維持、自修復構想。因此，模擬月壤SLM 成形件不但要滿足高幾何精度要求以外，還要滿足不同應用場景的力學性能要求。本文通過壓縮實驗測量了SLM成形件的壓縮強度，其峰值強度為10.39 MPa，比文獻［17］模擬月壤成形件壓縮強度提高3倍以上。

為了進一步提高SLM成形件的力學性能，通過減小粉層厚度的方法來增加激光體積能量密度，也就是通過減小粉層厚度，使粉床中顆粒通過直接吸收激光能量或顆粒間熱輻射和熱傳導作用間接獲取更多的能量后發生相變，在經冷卻后固結，形成一層致密的結構體，避免由于顆粒吸收的激光能量不足而引起的層間界面強度低、表面粗糙、致密度低等問題。本文設定粉層厚度為70μm（等于最小等效粒徑），保持其他工藝參數不變，在相同條件下進行模擬月壤SLM 成形，并通過壓縮實驗測量成形件力學性能。研究結果顯示，粉層厚度降低有利于成形件力學性能提高，鋪粉厚度為70μm的模擬月壤SLM 成形件的壓縮強度提高到35.23 MPa，約為鋪粉厚度100μm成形件的3倍。

4 結 論

本文利用與A12月壤樣品化學成分近似的模擬月壤和SLM125成形設備（配備IPG光纖激光器），探索通過SLM成形技術與ISRU概念相結合實現月壤原位增材制造的可行性。研究結論如下：

1）使用的模擬月壤在IPG光纖激光器工作波長具有較高光吸收率，在較低激光體積能量密度下可以實現3D零件SLM 成形，成形件幾何精度和力學性能較好。實驗結果證明了基于SLM的模擬月壤原位成形技術的可行性，并且該技術有望成為解決月球基地大規模、復雜多樣建設任務及月面探測設備維修零件和工具現場制造的一種有效途徑。

2）使用的模擬月壤在紫外/可見/近紅外光譜范圍都具有較高光吸收率，在波長249 nm時吸收率高達0.98。月球表面太陽輻射強約為地球的15 000倍，研制以太陽光為熱源的SLM成形技術替代現有以高能束激光為熱源的SLM 成形技術，將成為空間風化層原位增材制造技術可持續發展的重要發展方向，具有重要的軍事和經濟意義。

3）模擬月壤顆粒形狀復雜、粒度分布較廣，導致流動性差，無法直接用于SLM 成形加工，需要對其進行粒度分布優化預處理。本文采用氣流磨設備提取等效粒徑在70～120μm范圍的模擬月壤顆粒，具有最佳流動性。但從環境適應性角度考慮，氣流磨設備不能在月面高真空環境下工作，因此需要研制其他粉材分選處理設備。

4）鋪粉厚度對成形件力學性能影響顯著，在其他工藝參數不變的情況下，鋪粉厚度為70μm的模擬月壤成形件，與鋪粉厚度為100μm的模擬月壤成形件相比，壓縮強度顯著提高。但需要特別注意的是，鋪粉厚度選取要同時考慮顆粒粒徑、激光體積能量密度，鋪粉厚度過小時，可能出現顆粒破碎和激光體積能量密度過高引起的嚴重熱變形問題，導致成形件幾何精度降低甚至成形失敗。

本文研究目的是探索基于SLM 的模擬月壤3D打印技術的可行性，所開展的SLM 成形實驗均是在地球實驗室環境下進行的，沒有考慮月球低重力、高真空等極端環境影響。建議后續開展考慮月球低重力、高真空環境的SLM鋪粉及成形過程的地面環境模擬實驗和多尺度數值仿真研究，定量評價月球環境效應對SLM成形件幾何精度、力學性能的作用機制，開展相關的月面環境適應性研究。