模擬月壤原位增材制造技術(shù)研究進(jìn)展*

孫一萌，陳盛貴，花開慧，李 楠，盧秉恒

1.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；；2.東莞市東莞理工科技創(chuàng)新研究院，廣東 東莞 523808；3.東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；4.東莞理工學(xué)院 教育學(xué)院(師范學(xué)院)，廣東 東莞 523808

人類對外太空探索的腳步從未停歇，自從宇航員加加林成功完成了太空載人飛行，人類對太空探索的欲望就愈演愈烈．隨著科技的發(fā)展，美國航空航天局和歐洲航天局早已將目光集中在宇宙深空之中，并提出載人登月計劃，預(yù)想以月球為跳板逐步開展宇宙探索[1]．同時，我國也已成功將“嫦娥五號”送上月球，完成了對月壤的采集．此外，我國已明確將載人登月計劃和月球基地建設(shè)方案提上日程．月球基地作為“深空中轉(zhuǎn)站”，具有十分重要的戰(zhàn)略地位[2]．而建立月球基地會產(chǎn)生大量的原材料運(yùn)輸成本，將會耗費(fèi)大量的資源財物，故對月球上的原位制造技術(shù)研究具有重大意義．

1 月壤形成過程及物理化學(xué)性質(zhì)

月壤作為月球上最豐富的原位資源，其是由月表的巖石經(jīng)過小天體的不斷撞擊、破碎、濺射和太陽的輻射而形成的大小形態(tài)不一的粉體，同時當(dāng)面對超速隕星的撞擊時會發(fā)生顆粒間的熔合、氣化、聚變等反應(yīng)．這些復(fù)雜反應(yīng)使得月壤顆粒中的元素種類和含量構(gòu)成較為豐富[3]，從而導(dǎo)致了在不同月表區(qū)域的月壤成分會有一些變化．例如，月球表面低海區(qū)月壤的鐵元素含量比表面高地處含量高，而在月球表面高地處月壤的鋁、鈣成分含量則高于低海區(qū)月壤[4]．美國“阿波羅”系列任務(wù)中獲得的月壤樣本中組分組成和各組分占比列于表1[5]．

表1 月壤的化學(xué)組成 Table 1 Chemical compositions of lunar soil

月壤是從月巖演化而來的．粒徑大于1 cm的顆粒認(rèn)為是月巖，粒徑小于1 cm的顆粒稱為月壤，而狹義的月壤粉體顆粒粒徑大部分分布在30 μm至1 mm之間，粒徑更小的月壤粉體則被稱為月塵[6-7]．目前，經(jīng)過月巖的不斷演變，月表覆蓋了一層層厚為3～20 m的月壤[8]．

月壤樣品來源于月球表面，價格十分昂貴，國內(nèi)外科研工作者一般采用模擬月壤來替代真實月壤進(jìn)行研究．目前，各國已成功研制出了多系列模擬月壤，如美國的JSC系列、MLS系列[9-10]，日本的MKS系列[11-13]，中國的CAS系列、CLRS系列[14-15]等模擬月壤．科研工作者們利用這些模擬月壤來進(jìn)行大量實驗探索，為未來月球原位制造的發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)．

2 模擬月壤成型技術(shù)研究進(jìn)展

目前，應(yīng)用于模擬月壤的成型手段有堆積成型、燒結(jié)成型、熔融成型、模壓成型及黏結(jié)成型[16-17]．堆積成型不需要對模擬月壤進(jìn)行額外的加工處理，最易實現(xiàn)，但材料和結(jié)構(gòu)的后續(xù)使用循環(huán)性能難以保證．燒結(jié)成型、熔融成型和模壓成型均屬于模板成型法，可以滿足模板形狀多樣性的需求，但是月面苛刻環(huán)境限制了模板成型法的應(yīng)用，且高昂的運(yùn)輸成本又限制了模板的地球補(bǔ)給，因此模板成型法的使用空間有限[6]．黏結(jié)成型技術(shù)主要借助3D打印設(shè)備實現(xiàn)，是一種無模板成型方法，該技術(shù)對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)具有獨(dú)特優(yōu)勢，在月球基地建造方面有一定應(yīng)用前景．因此，增材制造技術(shù)是實現(xiàn)月壤資源原位利用及月球基地建設(shè)的發(fā)展方向之一．

2.1 D-shape工藝

D-shape工藝系統(tǒng)是由意大利工程師開發(fā)的，它是利用一個可移動的打印噴管陣列將黏合劑噴灑在砂質(zhì)材料表面，通過黏合劑的固化將砂粒間進(jìn)行粘結(jié)從而構(gòu)筑成一個薄層，再經(jīng)過黏合劑和砂粒的重復(fù)鋪料過程實現(xiàn)層與層間的黏合，最終得到大型構(gòu)件[18]．

2010年，G.Cesaretti等人[19]以模擬月壤為原料并采用D-shape工藝來對其進(jìn)行打印，利用打印機(jī)將粘接劑按照軌跡噴涂在粉體表面，使二者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化粘接，目前該實驗已經(jīng)成功在地面環(huán)境得到驗證，得到的蜂窩狀和鳥巢狀的結(jié)構(gòu)件如圖1所示．然而，若未來人類利用該技術(shù)直接在月球環(huán)境中進(jìn)行月壤原位打印，則各國需要將大量液體原料運(yùn)送到月球上，其運(yùn)輸和儲存成本會成為困擾各國科研工作者的一大難題．另外，在低重力、高真空的月表環(huán)境中，液體原料極易揮發(fā)，原料損耗巨大．上述種種困難使得D-shape技術(shù)目前還不太適用于在月球環(huán)境中應(yīng)用．

圖1 D-shape工藝打印出的結(jié)構(gòu)件Fig.1 Structural parts printed by using the D-shape technology

2.2 微擠出式墨水3D打印工藝

多年來，建立自治的或居住的太空場所一直是科幻文化的一部分，但在過去數(shù)十年中見證了這個暢想在技術(shù)上的可行性，并將為外星科學(xué)和工程學(xué)的進(jìn)步及商業(yè)化轉(zhuǎn)化不斷努力．為此，通過增材制造技術(shù)將天然行星土壤原料構(gòu)建成為結(jié)構(gòu)件的研究不斷向前推進(jìn)[19-20]．但是，當(dāng)前普遍采用的增材制造方法受到一些成型過程和材料特性的限制，故使其可能不完全適用于資源匱乏的極端環(huán)境或微重力環(huán)境[21-22]．另一方面，雖然目前Zero-G打印機(jī)在國際空間站已按需求打印出樣件，但該技術(shù)僅能與一組選定的簡單熱塑性塑料和低顆粒含量的熱塑性復(fù)合材料兼容，而與硬石膏材料不兼容，導(dǎo)致打印原材料的使用范圍比較窄，故一部分科學(xué)工作者將目光轉(zhuǎn)向原材料適用范圍較寬泛的微擠出式墨水3D打印技術(shù)．

微擠出式墨水3D打印系統(tǒng)主要由料倉、擠出裝置、打印平臺、擠出和軸向運(yùn)動精準(zhǔn)電機(jī)及集成綜合控制系統(tǒng)構(gòu)成，裝載在料倉中的墨水通過氣壓閥或機(jī)械擠出器呈連續(xù)絲狀擠出．系統(tǒng)的水平及垂直運(yùn)動、擠出器的擠出量、擠出氣壓以及打印平臺的運(yùn)動由集成綜合控制系統(tǒng)控制，并通過微動電機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行完成．微擠出式墨水3D打印技術(shù)不僅可通過多通路擠出結(jié)構(gòu)實現(xiàn)梯度打印，并且該技術(shù)具有良好的材料兼容性、生物相容性、高度靈活的打印參數(shù)范圍、多樣化的交聯(lián)方式及后處理方式的多種選擇，都使得該打印系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用．該技術(shù)適配多種配方的墨水，如海藻酸鹽、聚乙烯乙二醇、明膠、復(fù)合材料等，同時其打印適配墨水所需的粘度范圍較寬，可用來打印較高粘度的漿料，有利于高固含量漿料打印的實現(xiàn)．

2017年，Jakus等人[23]將模擬月壤(Lunar Regolith Simulant，簡稱LRS)及模擬火星土壤(Martin Regolith Simulant，簡稱MRS)進(jìn)行球磨，得到了粒度均一的粉體顆粒，然后將二者分別與聚乳酸-羥基乙酸共聚物、表面活性劑、稀釋劑混合并溶于二氯甲烷溶液中制成打印“墨水”(圖2)，并采用微擠出式墨水3D打印工藝按照設(shè)計模型打印出樣件，將得到的樣件分別在不同氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，最終獲得了力學(xué)性能良好的結(jié)構(gòu)件．實驗數(shù)據(jù)表明：以MRS“墨水”為原料打印得到的結(jié)構(gòu)件的拉伸應(yīng)變在0.1 min-1拉伸速率下為175%，而以LRS“墨水”為原料打印得到的結(jié)構(gòu)件在相同拉伸速率下拉伸應(yīng)變高達(dá)250%且經(jīng)過拉伸的結(jié)構(gòu)件未發(fā)生斷裂；此外，這兩種結(jié)構(gòu)件在循環(huán)壓縮試驗下也顯示出了一定的彈塑性．

圖2 模擬月球土壤和模擬火星土壤配置的打印墨水Fig.2 Lunar and Martian regolith simulant inks,respectively

Taylor等人[24]采用相似的方法來制備模擬月壤打印“墨水”，該研究采用二氯甲烷、乙二醇丁醚和鄰苯二甲酸二丁酯為溶劑，聚乳酸-羥基乙酸共聚物為樹脂體系，用以74:26的體積比將液體混合物和模擬月壤粉體共混配置的“墨水”(圖3)進(jìn)行打?。蒙锬?D打印機(jī)以450～550 KPa的擠出壓力制備得到直徑為10 mm、高度為20 mm的圓柱微桁架結(jié)構(gòu)樣件，然后將樣件分別置于氫氣和氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，其中在空氣氣氛下燒結(jié)的微桁架結(jié)構(gòu)件的線性收縮率約為13%，而在氫氣氣氛下燒結(jié)的微桁架結(jié)構(gòu)件的線性收縮率小于5%．

圖3 模擬月壤"墨水"打印流程Fig.3 The printing process with lunar regolith simulant inks

2.3 激光增材制造工藝

真空燒結(jié)手段在非金屬材料成型階段已得到廣

泛應(yīng)用，且真實月壤為復(fù)雜多相的非金屬體系，故對月壤材料進(jìn)行燒結(jié)處理已成為一種被認(rèn)可的手段．Hintze等人[25]對模擬月壤FJS-1，JSC-1A，NU-LHT-2M和OB1分別在1000～1200 ℃下進(jìn)行燒結(jié)處理，同時觀察月壤表面的形貌變化．Lawrence等人[26]采用Apollo17號月壤樣品對其進(jìn)行微波燒結(jié)，研究表明月壤中的鐵納米顆?？梢耘c微波輻射發(fā)生耦合使得鐵顆粒成為微波能量的“收集器”，從而使體系產(chǎn)生大量熱量讓月壤材料可以快速被燒結(jié)成型．由于月球表面是一個高真空、大溫差、微重力的嚴(yán)苛環(huán)境，從而導(dǎo)致大部分常規(guī)的成型方法無法在月球上應(yīng)用．普通燒結(jié)手段也無法將成分復(fù)雜、形狀不規(guī)整及粒徑尺寸分布寬泛的月壤原料轉(zhuǎn)化為性能良好的結(jié)構(gòu)件．為了能夠?qū)崿F(xiàn)月球原位制造，科研工作者將目光轉(zhuǎn)向激光燒結(jié)成型技術(shù)，設(shè)想利用高能量的激光將月壤粉體顆粒熔化并互相粘接形成一個整體．

目前，激光增材制造工藝作為3D打印技術(shù)中成熟度較高的一種工藝，可分為兩種典型方法，一種是基于同步送粉的激光熔覆沉積技術(shù)(Laser-Engineered Net Shaping，簡稱LENS)，另外一種是基于鋪粉的選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，簡稱SLM)．激光增材制造工藝已經(jīng)在高熔點(diǎn)陶瓷、金屬燒結(jié)粘結(jié)研究中取得了很多進(jìn)展，同時該技術(shù)也已成功應(yīng)用于模擬月壤的3D打?。瓸alla等人[20]于2010年以模擬月壤粉體為原料，通過LENS技術(shù)將粉體直接制造成結(jié)構(gòu)件，并且對其微觀結(jié)構(gòu)、組成相及化學(xué)性質(zhì)變化開展觀察研究，為月壤原位增材制造提供了新的思路．但這種方法仍需要通過壓縮氣體吹送粉體，這使得該技術(shù)在月球環(huán)境中難以實現(xiàn)．

2014年，M.Barmatz等人[27]基于月壤中的納米鐵顆粒會吸收微波輻射的特性對SLM工藝設(shè)備的激光打印頭進(jìn)行了改造，添加了微波加熱模塊的打印頭，該打印頭可以直接將模擬月壤粉體熔合燒結(jié)成為結(jié)構(gòu)件，從而縮短了構(gòu)件成型時間，也提高了激光的使用效率．接著，Goulas和Friel等人[30]在相關(guān)研究基礎(chǔ)上發(fā)表了采用SLM技術(shù)來對模擬月壤粉體直接進(jìn)行增材制造的研究成果，得到的結(jié)構(gòu)樣件外觀圖如圖4所示．該成果制備出的結(jié)構(gòu)件抗壓強(qiáng)度為4.2±0.1 MPa，同時該研究對未來激光光源的替代也做出了設(shè)想，例如利用來自太陽的光線通過透鏡系統(tǒng)的折射和反射來提供光源．

圖4 基于SLM技術(shù)打印出的結(jié)構(gòu)件Fig.4 Structures printed by SLM technology

2.4 光固化增材制造工藝

現(xiàn)有的光固化增材制造工藝可以分為立體光固化成型技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)和數(shù)字光處理技術(shù)(Digital Light Processing，簡稱DLP)．SLA技術(shù)采用波長為355 nm或405 nm的紫外激光作為光源，當(dāng)激光點(diǎn)在第一層光敏樹脂薄層上進(jìn)行掃描時，會激活樹脂體系中的光引發(fā)劑與樹脂單體迅速發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)而形成的固化層，然后設(shè)備成型平臺會下降一定的高度，當(dāng)?shù)诙右簯B(tài)光敏樹脂薄層在之前形成的固化層表面流平后，再開啟激光光源對樹脂薄層進(jìn)行掃描從而形成新的固化層，如此反復(fù)，最終得到打印構(gòu)件．而DLP技術(shù)原理與SLA技術(shù)十分相似，DLP技術(shù)同樣是利用光源激活光敏樹脂體系中的光引發(fā)劑發(fā)生光固化反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)件[28-29]．二者不同的是：DLP技術(shù)采用的是投影儀數(shù)字面光源，得到的打印構(gòu)件的每個固化層是經(jīng)由整個面光源一次照射成型的；而SLA技術(shù)用的是紫外激光點(diǎn)光源，點(diǎn)光源在光敏樹脂表面進(jìn)行掃描時會使液態(tài)樹脂固化形成一個個固化點(diǎn)，再由固化點(diǎn)組成固化線，最終構(gòu)成固化面．故SLA技術(shù)的工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DLP技術(shù)，此外DLP成型技術(shù)的精度也要優(yōu)于SLA成型技術(shù)．所以，在實際應(yīng)用中DLP成型技術(shù)會更有優(yōu)勢．

盡管已經(jīng)有多種增材制造方法在模擬月壤“原位制造”研究中得到應(yīng)用，但這些研究成果在未來應(yīng)用上仍存在一些困難．首先，在月球微重力環(huán)境下，月壤粉體容易漂浮、難以控制；其次，現(xiàn)有工藝制造出的打印結(jié)構(gòu)件中存在較多的孔隙缺陷，會使結(jié)構(gòu)件的機(jī)械性能大大降低[30-31]．所以，在條件嚴(yán)苛的月球環(huán)境中制備出機(jī)械性能好、尺寸精度高、適用范圍廣的結(jié)構(gòu)件是很有必要的．而DLP打印工藝恰恰具有成型速度快、成型工藝限制少、設(shè)備體積較小、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)．

2018年6月，中國科學(xué)院的科研人員首次成功完成了世界上微重力環(huán)境下使用陶瓷數(shù)字光固化設(shè)備對陶瓷漿料進(jìn)行打印的試驗，表明了光固化增材制造技術(shù)在微重力條件下應(yīng)用的可能性．2019年，Liu Ming等人[32]將CLRS-2模擬月壤粉體與光敏樹脂混合配置成體積含量45%的高固含量漿料，并采用自行開發(fā)的CeramatrixDLP光固化打印機(jī)成功打印出精度高達(dá)99.0±0.5%的打印件胚體(圖5)，胚體經(jīng)過脫脂燒結(jié)后得到的結(jié)構(gòu)件的平均抗壓強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到了428.1 MPa和129.5 MPa，且燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)件在化學(xué)組成成分上沒有顯著變化．

圖5 DLP 3D打印樣品胚體(a,c)經(jīng)過燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)件(b,d)Fig.5 Green body samples by DLP 3D printing method (a,c) structural samples after sintering (b,d)

DouRui等人[33]在首個微重力環(huán)境下使用陶瓷數(shù)字光固化設(shè)備對陶瓷漿料進(jìn)行打印的試驗研究基礎(chǔ)上，評估了在兩種不同氣氛下燒結(jié)得到的模擬月壤打印結(jié)構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能．研究結(jié)果顯示：在空氣氣氛和氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)的結(jié)構(gòu)件，其抗彎強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、硬度都隨著燒結(jié)溫度的升高而增加；在1150 ℃的空氣氣氛下燒結(jié)的樣品表現(xiàn)出最佳的機(jī)械性能，其抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及硬度分別為312.2±40.9 MPa，74.1±16.1 MPa和822±21 HV，分別是在1150 ℃的氬氣氣氛下燒結(jié)的樣品性能的5.66，3.09和33.41倍．在圖6的SEM圖片中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過燒結(jié)后的所有樣品內(nèi)均存在微裂紋和孔隙，但經(jīng)1150 ℃的空氣氣氛燒結(jié)處理的樣品內(nèi)部的礦物顆粒熔化更徹底，并與相鄰顆粒的結(jié)合更加緊密．這種緊密結(jié)構(gòu)會大大提高樣品的機(jī)械性能，這也解釋了經(jīng)1150 ℃的空氣氣氛燒結(jié)處理的樣品表現(xiàn)出了最佳的機(jī)械性能的原因．盡管如此，在1100 ℃的氬氣氣氛下燒結(jié)得到的樣品所具有的最低機(jī)械性能仍滿足建筑材料的要求．

圖6 空氣氣氛下1100 ℃燒結(jié)后的樣件截面斷口形貌(a，c)、空氣氣氛下1150 ℃燒結(jié)后的樣件截面斷口形貌(b，d)、氬氣氣氛下1100 ℃燒結(jié)后的樣件截面斷口形貌(e，g)、氬氣氣氛下1150 ℃燒結(jié)后的樣件截面斷口形貌(f，h)Fig.6 Fracture morphology of the flexure cross sections of samples sintered at 1100 ℃ in air atmospheres(a,c),sintered at 1150 ℃ in air atmospheres (b,d),sintered at 1100 ℃ in Ar atmospheres(e,g),sintered at 1150 ℃ in Ar atmospheres(f,h)

根據(jù)上述應(yīng)用于模擬月壤3D打印的工藝，對各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)果列于表2．

表2 模擬月壤3D打印工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of 3D printing process of lunar regolith simulant

3 結(jié) 語

由于真實的月壤具有化學(xué)成分復(fù)雜、粒徑分布較廣、顆粒形狀不規(guī)則等特性，科研工作者們根據(jù)這些特性研制了多種模擬月壤，如JSC系列、CAS系列、CLRS系列模擬月壤，并且采用D-shape工藝、微擠出式墨水3D打印工藝、激光增材制造工藝、光固化增材制造工藝等3D打印技術(shù)對模擬月壤進(jìn)行打印成型研究．采用D-shape工藝，將DNA-1模擬月壤原料成功打印成蜂巢狀建筑物；采用微擠出式3D打印工藝，最終得到了拉伸應(yīng)變高達(dá)250%的小尺寸結(jié)構(gòu)件；采用LENS工藝對模擬月壤粉體進(jìn)行3D打印，同時將激光光源進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化并調(diào)控打印參數(shù)，使得以SLM和LENS技術(shù)為代表的激光增材制造技術(shù)已漸漸成為模擬月壤3D打印的常見工藝．以上手段均證明了月球原位制造的可能性，但仍有弊端．為了獲得尺寸精度高、形貌無缺陷、機(jī)械性能較好的月壤原位制造結(jié)構(gòu)件，科研人員對模擬月壤粉體進(jìn)行粒徑調(diào)控后將其與光敏樹脂混合配置，得到了高固含量高粘度的漿料，并采用DLP技術(shù)對漿料進(jìn)行打印制造，得到了尺寸精度高的結(jié)構(gòu)件胚體．這些研究成果一方面可用于評估使用增材制造技術(shù)在未來行星上進(jìn)行原位制造的可行性，另一方面也不斷推動了月球原位制造技術(shù)的發(fā)展，并且一定意義上也拓寬了材料科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域．此外，科研工作者們也漸漸意識到月球基地的建設(shè)對實現(xiàn)宇宙探索計劃的戰(zhàn)略意義．