使用激光熔敷（L-PBF）技术对月球表层的原位监测：分析热历史和致密化机制以提升零件质量

《Additive Manufacturing》：In situ monitoring of lunar regolith in L-PBF: analyzing thermal history and densification mechanisms for improving part quality

　　• 首次实现的多层原位监测，用于月球风化层模拟物的激光粉末床熔融（L-PBF）加工过程，结合了高分辨率光学成像和红外热成像技术。
• 减少层厚度提高了几何精度并增强了粉末床的均匀性。
• 在高能量沉积（VED）的样品中观察到严重的热量积累，这影响了多层的加工稳定性。高VED样品容易产生裂纹，并表现出玻璃化现象。
• 提出了一种基于原位热监测的热信息层间延迟策略，以减轻热量积累对部件质量的影响，并通过实验验证有效，从而降低了孔隙率。

引言
重返月球正变得越来越热门，多个航天机构正在发射或计划月球任务。其中，NASA的阿尔忒弥斯计划尤为突出，它引领了国际间的太空探索合作。阿尔忒弥斯计划与欧洲航天局、意大利航天局和其他国家航天机构合作，分为两个主要阶段。第一阶段的目标是通过阿尔忒弥斯III等任务将人类送回月球表面，特别是月球南极。第二阶段则专注于建立在月球上持续人类存在所需的基础设施和技术，欧洲航天局和意大利航天局在物流、栖息地设计及长期月球探索策略方面持续提供支持[1]。

实现月球上长期人类存在的一个关键组成部分是原位资源利用（ISRU），即使用月球表面发现的资源[2]。通过减少对地球运输补给的依赖，ISRU可以显著降低发射成本和物流挑战。除了资源开采外，直接在月球上制造工具和部件的能力——无论是替换损坏的部分还是为特定需求制造定制结构——对于建设可持续的月球基地至关重要。

月球上最丰富的资源是其土壤，通常称为风化层，它天然呈粉末形式[3]。在各种增材制造（AM）技术中，激光粉末床熔融（L-PBF）是用于从原位材料制造几何复杂部件的最广泛研究的方法之一[4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]。这种日益增长的兴趣源于L-PBF能够生产出具有相对较高尺寸精度、良好材料利用率且后处理要求有限的部件。此外，L-PBF不需要外部粘合剂或大型后处理炉，使其特别适用于未来的原位资源ISRU场景。

然而，将L-PBF应用于月球风化层面临独特的挑战。与传统金属粉末不同，风化层由含有氧化物的不同矿物组成。其类似陶瓷的性质以及对热条件的高度敏感性，使得熔化和固化过程变得更加复杂且难以控制[4] [5]。在L-PBF过程中，材料的润湿性在确保层与层之间以及层与基底之间的适当结合方面起着关键作用。润湿性差会导致粘附不足，从而引发翘曲、分层以及裂纹和球化等缺陷的形成[5] [14]。这些缺陷会显著降低最终部件的机械完整性。因此，实现适当的润湿性对于生产无裂纹、无球化且具有可接受机械性能的部件至关重要。因此，优化增材制造过程参数对于明确加工条件与产生的缺陷类型之间的关系至关重要，最终有助于识别出能最小化缺陷并提高部件质量的参数组合。要实现稳定的加工过程，需要仔细优化激光功率、扫描速度和基底类型等参数。

然而，文献中有几项研究报告了不同的最佳L-PBF参数组合用于加工月球风化层；表1总结了现有的相关研究。这些差异源于原料属性（如颗粒大小分布）、基底类型、机器配置以及所用模拟物的不同。月球风化层模拟物不仅在其地质起源地区（月海与高地）上有所不同，这影响了它们的矿物组成，进而影响其熔化和烧结行为[15]，而且不同供应商提供的模拟物也存在差异，即使它们名义上代表相同的月球区域。

Fateri等人[5]使用热台显微镜研究了月球风化层（JSC-2模拟物）的润湿性和熔化行为，通过分析接触角和液滴形状来确定适合增材制造过程的温度范围。他们观察到，在1140°C至1155°C之间，与基底的结合会导致明显的变形，表明表面张力超过了基底的结构强度。在1200°C时，粉末形成了一个单一的、轮廓清晰的半球体，表明熔化和润湿性能有所改善。这些发现突显了基底选择对L-PBF参数优化的重要影响。基底必须能够承受实现良好结合所需的热条件，同时不引入缺陷。由于激光诱导的温度必须保持在狭窄的范围内——既足够高以确保适当的熔融，又足够低以避免过度翘曲或分层，因此风化层与基底之间的相互作用变得至关重要。文献中探讨了多种基底，包括玻璃、粘土和金属，每种基底都需要特定的激光功率设置和后处理策略来实现成功的粘附和部件去除[4] [5] [8]。

Caprio等人[4]研究了底板材料对月球风化层模拟物NU–LHT–2 M的激光粉末床熔融（L-PBF）的影响。他们最初使用碳钢底板进行试验时未获成功，因为激光束直接与基底相互作用，导致材料沉积不均匀、局部熔化和剥离现象。扫描电子显微镜显示出不均匀成核的证据，可能是由于钢基底与风化层模拟物之间的化学不相容性和热性质差异所致。在后续实验中，他们采用了自支撑粉末床配置，从而形成了单一的球形沉积物。这一结果证实了NU–LHT–2 M可以在激光照射下熔化和重新固化，尽管观察到了较差的润湿行为。为了解决基底兼容性问题，第三次实验使用了化学性质与模拟物相似的耐火粘土底板。这种配置显示出更一致的粘附效果；然而，过高的激光功率导致了膨胀和羽流形成，而较高的扫描速度则完全停止了沉积。尽管存在这些挑战，但制成的部件中没有观察到裂纹，表明NU–LHT–2 M具有优于传统陶瓷的热冲击响应，可能在L-PBF加工过程中不需要预热[4]。

尽管方法存在差异，但文献中报告了一些关于VED范围的一致趋势。在粘土上打印时，VED值低于17 J/mm3通常与粘附不足和样品脱落风险增加相关。相反，VED值高于32 J/mm3往往会导致风化层吸收过多能量，从而产生玻璃化并失去尺寸精度[4] [6] [7] [13]。包含这一范围内的视觉比较有助于更清晰地说明这些行为。对于玻璃基底，最佳VED值通常在3至5 J/mm3之间。超过这个阈值通常会导致玻璃开裂，如果重新涂布器碰到了断裂的基底或脱落的部件，可能会导致打印失败。虽然在这些低VED水平下打印通常可以获得良好的几何保真度，但由于风化层只是部分熔化而非完全熔化，所生成的部件通常机械性能较差[8] [12]。

相比之下，金属基底需要显著更高的VED值才能实现足够的粘附。然而，这带来了权衡：较高的能量输入可能会降低尺寸精度，导致某些矿物相的蒸发，并增加与过热相关的缺陷风险[9]。最近的研究探索了使用L-PBF参数组合处理风化层的方法。特别是，使用了较大的激光光斑直径、较慢的扫描速度和增加的层厚度来研究月球模拟物的整体固化机制和高能量加工窗口[10] [11]。虽然这些方法证明了生产固化风化层结构的可行性，但它们在空间和热尺度上存在显著差异，并且对缺陷形成、孔隙率和多层制造过程中的裂纹控制能力有限。

总体而言，粘土基底似乎提供了最佳的折中方案。它支持的打印VED范围足够高，可以实现风化层的适当熔融，同时又足够低，可以避免SiO?的玻璃化。鉴于月球风化层复杂的矿物组成及其对玻璃化、分层和裂纹形成的敏感性，在L-PBF过程中精确的热控制至关重要。在这方面，集成原位监测技术提供了一个有前景的工具，可以实时更好地理解风化层的熔化行为，并开发出提高打印部件质量和机械性能的过程控制策略。

此外，由于未来的制造预计将在月球上进行，处于真空、低重力及极端热条件下，因此开发不仅在地球上有效，而且能够转移到月球环境中的稳健过程控制策略至关重要。原位监测技术可以在这一领域发挥重要作用，实现动态过程调整，并提高打印部件的可靠性和机械质量。

总之，现有文献强调了通过L-PBF加工月球风化层的固有复杂性，突出了对基底类型、VED范围、模拟物组成和材料特定热响应的依赖性。虽然许多研究已经考察了静态过程参数[4] [6] [7] [8] [12]，还有一些研究[9] [16]在同步辐射设施中使用了原位X射线成像来研究单层沉积中的熔池动态，但据我们所知，之前还没有研究涉及多层制造的原位监测。因此，层-by-layer加工过程中出现的动态热演变及其对过程优化的意义尚未得到充分理解。

本工作通过集成高分辨率光学成像和红外热成像技术，系统地监测了不同加工条件下多层风化层模拟物的行为，从而推进了现有技术的进步。尽管用于宏观几何缺陷检测的逐层光学成像[17]和用于实时分析热历史的熱视频成像[18] [19]在传统合金中已经成熟，但这些方法很少被结合到一个能够捕捉L-PBF过程的空间和时间演变的统一框架中。除了是首次将原位监测应用于月球风化层模拟物的L-PBF之外，这项工作还提出了一种整合这些互补数据流的方法——空间分辨的光学信息和时间丰富的热信号，以支持更全面的多层制造建模。这种实时的、多层的视角使我们能够更深入地了解热量积累、缺陷形成机制以及过程参数的影响，从而制定出更有效的策略，实现无缺陷的构建并提高机械性能。通过这样做，它填补了文献中的重要空白，并为适应未来地外制造场景提供了基础知识。

材料与方法
本研究使用了Aconity MIDI+工业L-PBF系统来打印LMS-1（Exolith Lab, USA）。主要技术规格见表2。在常规构建平台上放置了一个50x50x10毫米的耐火粘土板作为基底。本研究使用了Caprio等人[4]之前使用的同一商用耐火粘土。根据他们研究中的成分分析，该材料主要由O（33.63 wt%）、Si等组成。

层厚度的影响
所有样品在从粘土基底上取下之前都经过了初步检查。图6展示了两种不同层厚度（75 μm和150 μm）的打印样品在粘土基底上的情况。每个立方体对应于一组独特的工艺参数，根据VED分为三个组：低（< 22.5 J/mm3，蓝色）、中（22.5–29 J/mm3，橙色）和高（> 29 J/mm3，红色）。两种层厚度之间存在明显差异。在75 μm的样品中，低VED…雅西尔·本·达胡：撰写（包括审稿和编辑）、原创草稿的撰写、数据可视化、数据验证、研究方法、调查分析、形式化分析以及数据整理。斯特凡妮娅·卡卡塞：撰写（包括审稿和编辑）、数据可视化、数据验证以及利益冲突声明。
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：比安卡·玛丽亚·科洛西莫表示她获得了米兰理工大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的、可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究部分由欧洲航天局（ESA）根据OSIP合同编号4000145479资助，同时得到了MICS（Made in Italy – Circular and Sustainable）扩展合作伙伴关系的支持，并获得了欧盟“下一代欧盟”计划（PIANO NAZIONALE DI RIPRESA E RESILIENZA (PNRR) – MISSIONE 4 COMPONENTE 2, INVESTIMENTO 1.3 – D.D. 1551.11-10-2022, PE00000004）的资助。

参与作者：
雅西尔·本·达胡（Yassir Ben Dahou）
马泰奥·布加蒂（Matteo Bugatti）
斯特凡妮娅·卡卡塞（Stefania Cacace）
阿德维尼特·马卡亚（Advenit Makaya）
托马索·吉迪尼（Tommaso Ghidini）
比安卡·玛丽亚·科洛西莫（Bianca Maria Colosimo）