孫一萌，陳盛貴，花開慧，李 楠，盧秉恒

1.東莞理工學院 機械工程學院，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.東莞理工學院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808；4.東莞理工學院 教育學院(師范學院)，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方案提上日程．月球基地作為“深空中轉站”，具有十分重要的戰(zhàn)略地位[2]．而建立月球基地會產(chǎn)生大量的原材料運輸成本，將會耗費大量的資源財物，故對月球上的原位制造技術研究具有重大意義．

1 月壤形成過程及物理化學性質

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．這些復雜反應使得月壤顆粒中的元素種類和含量構成較為豐富[3]，從而導致了在不同月表區(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，國內外科研工作者一般采用模擬月壤來替代真實月壤進行研究．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．

2 模擬月壤成型技術研究進展

目前，應用于模擬月壤的成型手段有堆積成型、燒結成型、熔融成型、模壓成型及黏結成型[16-17]．堆積成型不需要對模擬月壤進行額外的加工處理，最易實現(xiàn)，但材料和結構的后續(xù)使用循環(huán)性能難以保證．燒結成型、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用，且高昂的運輸成本又限制了模板的地球補給，因此模板成型法的使用空間有限[6]．黏結成型技術主要借助3D打印設備實現(xiàn)，是一種無模板成型方法，該技術對復雜建筑結構的實現(xiàn)具有獨特優(yōu)勢，在月球基地建造方面有一定應用前景．因此，增材制造技術是實現(xiàn)月壤資源原位利用及月球基地建設的發(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材料表面，通過黏合劑的固化將砂粒間進行粘結從而構筑成一個薄層，再經(jīng)過黏合劑和砂粒的重復鋪料過程實現(xiàn)層與層間的黏合，最終得到大型構件[18]．

2010年，G.Cesaretti等人[19]以模擬月壤為原料并采用D-shape工藝來對其進行打印，利用打印機將粘接劑按照軌跡噴涂在粉體表面，使二者發(fā)生化學反應固化粘接，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構件如圖1所示．然而，若未來人類利用該技術直接在月球環(huán)境中進行月壤原位打印，則各國需要將大量液體原料運送到月球上，其運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技術目前還不太適用于在月球環(huán)境中應用．

圖1 D-shape工藝打印出的結構件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上的可行性，并將為外星科學和工程學的進步及商業(yè)化轉化不斷努力．為此，通過增材制造技術將天然行星土壤原料構建成為結構件的研究不斷向前推進[19-20]．但是，當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打印機在國際空間站已按需求打印出樣件，但該技術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合材料兼容，而與硬石膏材料不兼容，導致打印原材料的使用范圍比較窄，故一部分科學工作者將目光轉向原材料適用范圍較寬泛的微擠出式墨水3D打印技術．

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、擠出和軸向運動精準電機及集成綜合控制系統(tǒng)構成，裝載在料倉中的墨水通過氣壓閥或機械擠出器呈連續(xù)絲狀擠出．系統(tǒng)的水平及垂直運動、擠出器的擠出量、擠出氣壓以及打印平臺的運動由集成綜合控制系統(tǒng)控制，并通過微動電機的精準運行完成．微擠出式墨水3D打印技術不僅可通過多通路擠出結構實現(xiàn)梯度打印，并且該技術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)得到廣泛應用．該技術適配多種配方的墨水，如海藻酸鹽、聚乙烯乙二醇、明膠、復合材料等，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打印工藝按照設計模型打印出樣件，將得到的樣件分別在不同氣氛下進行燒結，最終獲得了力學性能良好的結構件．實驗數(shù)據(jù)表明：以MRS“墨水”為原料打印得到的結構件的拉伸應變在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構件在相同拉伸速率下拉伸應變高達250%且經(jīng)過拉伸的結構件未發(fā)生斷裂；此外，這兩種結構件在循環(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)進行打?。蒙锬?D打印機以450～550 KPa的擠出壓力制備得到直徑為10 mm、高度為20 mm的圓柱微桁架結構樣件，然后將樣件分別置于氫氣和氮氣氣氛下燒結，其中在空氣氣氛下燒結的微桁架結構件的線性收縮率約為13%，而在氫氣氣氛下燒結的微桁架結構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

真空燒結手段在非金屬材料成型階段已得到廣

泛應用，且真實月壤為復雜多相的非金屬體系，故對月壤材料進行燒結處理已成為一種被認可的手段．Hintze等人[25]對模擬月壤FJS-1，JSC-1A，NU-LHT-2M和OB1分別在1000～1200 ℃下進行燒結處理，同時觀察月壤表面的形貌變化．Lawrence等人[26]采用Apollo17號月壤樣品對其進行微波燒結，研究表明月壤中的鐵納米顆粒可以與微波輻射發(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成型．由于月球表面是一個高真空、大溫差、微重力的嚴苛環(huán)境，從而導致大部分常規(guī)的成型方法無法在月球上應用．普通燒結手段也無法將成分復雜、形狀不規(guī)整及粒徑尺寸分布寬泛的月壤原料轉化為性能良好的結構件．為了能夠實現(xiàn)月球原位制造，科研工作者將目光轉向激光燒結成型技術，設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(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(Selective Laser Melting，簡稱SLM)．激光增材制造工藝已經(jīng)在高熔點陶瓷、金屬燒結粘結研究中取得了很多進展，同時該技術也已成功應用于模擬月壤的3D打印．Balla等人[20]于2010年以模擬月壤粉體為原料，通過LENS技術將粉體直接制造成結構件，并且對其微觀結構、組成相及化學性質變化開展觀察研究，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工藝設備的激光打印頭進行了改造，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成為結構件，從而縮短了構件成型時間，也提高了激光的使用效率．接著，Goulas和Friel等人[30]在相關研究基礎上發(fā)表了采用SLM技術來對模擬月壤粉體直接進行增材制造的研究成果，得到的結構樣件外觀圖如圖4所示．該成果制備出的結構件抗壓強度為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技術打印出的結構件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(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)和數(shù)字光處理技術(Digital Light Processing，簡稱DLP)．SLA技術采用波長為355 nm或405 nm的紫外激光作為光源，當激光點在第一層光敏樹脂薄層上進行掃描時，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)固化反應而形成的固化層，然后設備成型平臺會下降一定的高度，當?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行掃描從而形成新的固化層，如此反復，最終得到打印構件．而DLP技術原理與SLA技術十分相似，DLP技術同樣是利用光源激活光敏樹脂體系中的光引發(fā)劑發(fā)生光固化反應形成結構件[28-29]．二者不同的是：DLP技術采用的是投影儀數(shù)字面光源，得到的打印構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技術用的是紫外激光點光源，點光源在光敏樹脂表面進行掃描時會使液態(tài)樹脂固化形成一個個固化點，再由固化點組成固化線，最終構成固化面．故SLA技術的工作效率遠遠低于DLP技術，此外DLP成型技術的精度也要優(yōu)于SLA成型技術．所以，在實際應用中DLP成型技術會更有優(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”研究中得到應用，但這些研究成果在未來應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構件中存在較多的孔隙缺陷，會使結構件的機械性能大大降低[30-31]．所以，在條件嚴苛的月球環(huán)境中制備出機械性能好、尺寸精度高、適用范圍廣的結構件是很有必要的．而DLP打印工藝恰恰具有成型速度快、成型工藝限制少、設備體積較小、尺寸精度高等優(yōu)點．

2018年6月，中國科學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)字光固化設備對陶瓷漿料進行打印的試驗，表明了光固化增材制造技術在微重力條件下應用的可能性．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光固化打印機成功打印出精度高達99.0±0.5%的打印件胚體(圖5)，胚體經(jīng)過脫脂燒結后得到的結構件的平均抗壓強度及彎曲強度分別達到了428.1 MPa和129.5 MPa，且燒結后的結構件在化學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)過燒結后的結構件(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)字光固化設備對陶瓷漿料進行打印的試驗研究基礎上，評估了在兩種不同氣氛下燒結得到的模擬月壤打印結構件的微觀結構及力學性能．研究結果顯示：在空氣氣氛和氮氣氣氛下燒結的結構件，其抗彎強度、抗彎強度、硬度都隨著燒結溫度的升高而增加；在1150 ℃的空氣氣氛下燒結的樣品表現(xiàn)出最佳的機械性能，其抗壓強度、彎曲強度及硬度分別為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)過燒結后的所有樣品內均存在微裂紋和孔隙，但經(jīng)1150 ℃的空氣氣氛燒結處理的樣品內部的礦物顆粒熔化更徹底，并與相鄰顆粒的結合更加緊密．這種緊密結構會大大提高樣品的機械性能，這也解釋了經(jīng)1150 ℃的空氣氣氛燒結處理的樣品表現(xiàn)出了最佳的機械性能的原因．盡管如此，在1100 ℃的氬氣氣氛下燒結得到的樣品所具有的最低機械性能仍滿足建筑材料的要求．

圖6 空氣氣氛下1100 ℃燒結后的樣件截面斷口形貌(a，c)、空氣氣氛下1150 ℃燒結后的樣件截面斷口形貌(b，d)、氬氣氣氛下1100 ℃燒結后的樣件截面斷口形貌(e，g)、氬氣氣氛下1150 ℃燒結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)上述應用于模擬月壤3D打印的工藝，對各工藝的優(yōu)缺點進行了總結，結果列于表2．

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

3 結 語

由于真實的月壤具有化學成分復雜、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打印技術對模擬月壤進行打印成型研究．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，最終得到了拉伸應變高達250%的小尺寸結構件；采用LENS工藝對模擬月壤粉體進行3D打印，同時將激光光源進行改進優(yōu)化并調控打印參數(shù)，使得以SLM和LENS技術為代表的激光增材制造技術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、機械性能較好的月壤原位制造結構件，科研人員對模擬月壤粉體進行粒徑調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技術對漿料進行打印制造，得到了尺寸精度高的結構件胚體．這些研究成果一方面可用于評估使用增材制造技術在未來行星上進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的發(fā)展，并且一定意義上也拓寬了材料科學的應用領域．此外，科研工作者們也漸漸意識到月球基地的建設對實現(xiàn)宇宙探索計劃的戰(zhàn)略意義．