Email this article 
Лабораторные испытания селективного лазерного сплавления имитаторов лунного реголита с различными гранулометрическими свойствами
- Authors: Томилина Т.М.1, Ким А.А.1, Лисов Д.И.1,2, Лысенко А.М.1
-
Affiliations:
- Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
- Институт космических исследований РАН
- Issue: Vol 62, No 5 (2024)
- Pages: 525-541
- Section: Articles
- URL: https://ogarev-online.ru/0023-4206/article/view/276525
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0023420624050107
- EDN: https://elibrary.ru/IGWAGQ
- ID: 276525
Cite item
Open Access
Access granted
Abstract
В статье представлены результаты лабораторных испытаний селективного лазерного сплавления (СЛС) порошковых композиций имитаторов лунного реголита из земных пород габбро-диабаза и лабрадорита, которые имеют различные диапазоны фракционности. Показано, что композиции с узкими диапазонами фракционности с размерами частиц 50…100 мкм и 100…140 мкм позволяют изготовить тестовые образцы с достаточно хорошими свойствами с параметрами относительно низкой пористости и приемлемым воспроизведением заданной геометрической формы. Получены экспериментальные зависимости пористости тестовых образцов от величины объемной плотности энергии сплавления. В обоих случаях узких диапазонов фракционности порошковых композиций из габбро-диабаза, как для 50…100 мкм, так и 100…140 мкм, эти зависимости практически совпадают с ростом плотности энергии и при 20 Дж/мм3 и выше достигают минимального значения пористости 30…35 %. С другой стороны, было экспериментально установлено, что применение СЛС для порошковых композиций с широким диапазоном фракционности от нескольких микрон до 100 мкм не позволяет изготовить тестовые образцы с удовлетворительными свойствами — как по низкой пористости, так и по точности соответствия заданной геометрии.
Full Text
About the authors
Т. М. Томилина
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Author for correspondence.
Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва
А. А. Ким
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва
Д. И. Лисов
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН; Институт космических исследований РАН
Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва; Москва
А. М. Лысенко
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва
References
- Митрофанов И.Г. Об освоении Луны. Русский космизм, лунная гонка и открытие «новой Луны» // Земля и Вселенная. 2019. № 1. С. 5–17. doi: 10.7868/S0044394819010018
- Mitrofanov I.G., Sanin A.B., Boynton W.V. et al. Hydrogen Mapping of the Lunar South Pole Using the LRO Neutron Detector Experiment LEND // Science. 2010. V. 330 (6003). P.483–486. https://doi.org/10.1126/science.1185696
- Флоренский К.П., Базилевский А.Т., Николаева О.В. Лунный грунт: свойства и аналоги. М.: [б.и.], 1975.
- Taylor L.A., Pieters C. M., Britt D. Evaluations of Lunar Regolith Simulants // Planetary and Space Science. 2016. V. 126. P. 1–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.pss.2016.04.005
- Farries K.W., Visintin P., Smith S.T. Construction of lunar masonry habitats using laser-processed bricks // 71st Int. Astronautical Congress (IAC) – The CyberSpace Edition. 2020.
- Fateri M., Gebhardt A. Process Parameters Development of Selective Laser Melting of Lunar Regolith for On-Site Manufacturing Applications // Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2015. V. 12. Iss. 1. P. 46–52. doi: 10.1111/ijac.12326
- Caprio L., Demir A.G., Previtali B. et al. Determining the feasible conditions for processing lunar regolith simulant via laser powder bed fusion // Additive Manufacturing. 2020. V. 32. Art.ID. 101029. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101029
- Cesaretti G., Dini E., Kestelier X.D. et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology // Acta Astronautica. 2014. V. 93. P. 430–450. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.07.034
- Taylor S.L., Jakus A.E., Koube K.D. et al. Sintering of micro-trusses created by extrusion-3D-printing of lunar regolith inks // Acta Astronautica. 2018. V. 143. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.11.005
- Grugel R.N. Integrity of sulfur concrete subjected to simulated lunar temperature cycles // Advances in Space Research. 2012. V. 50. P. 1294–1299. http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2012.06.027
- Simonds C.H. Sintering and hot pressing of Fra Mauro composition glass and the lithification of lunar breccias // American J. Science. 1973. V. 273. P. 428–439. https://doi.org/10.2475/ajs.273.5.428
- Allen C.C., Morris R.V., McKay D.S. Oxygen extraction from lunar soils and pyroclastic glass // Journal of Geophysical Research: Planets. 1996. V.101. P.26085–26095. https://doi.org/10.1029/96JE02726
- Meek T.T., Cocks F.H., Vaniman D.T. et al. Microwave processing of lunar materials: Potential applications // Lunar and Planetary Institute. 1985.
- Maurice S., Wiens R.C., Saccoccio M. et al. The ChemCam instrument suite on the Mars Science Laboratory (MSL) rover: science objectives and mast unit description // Space Sci. Rev. 2012. V. 170. P. 95–166. doi: 10.1007/s11214-012-9912-2
- Balla V.K., Roberson L.B., O’Connor G.W. et al. First demonstration on direct laser fabrication of lunar regolith parts // Rapid Prototyping J. V. 18. Iss. 6. P. 451–457. https://doi.org/10.1108/13552541211271992
- Goulas A., Binner J.G.P., Harris R.A .et al. Assessing extraterrestrial regolith material simulants for in-situ resource utilisation based 3D printing // Applied Materials Today. 2017. V. 6. P. 54–61. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2016.11.004
- Gerdes N., Fokken L. G., Linke S. et al. Selective Laser Melting for processing of regolith in support of a lunar base// J. Laser Applications. 2018. V. 30. Art.ID. 032018. doi: 10.2351/1.501857
- Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И. и др. Эксперимент «Лунный-принтер» по лазерному сплавлению лунного реголита в космическом проекте «Луна-грунт» // Косм. исслед. 2023. Т. 61. № 4. С. 311–321. doi: 10.31857/S0023420622600313.
- Rose H. J., Baedecker P. A., Berman S. et al. Chemical composition of rocks and soils returned by the Apollo 15, 16, and 17 missions // Proc. Lunar Sci. Conf. 6th. 1975. P. 1363–1373.
- Ray C.S., Reis S.T., Sen S. et al. JSC-1A lunar soil simulant: Characterization, glass formation, and selected glass properties // J. Non-Crystalline Solids. 356. 2010. V. 44. P. 2369–2374. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.04.049
- Material Safety Data Sheet NU-LHT-2M. 2008. NU-LHT – NASA. https://ares.jsc.nasa.gov/projects/simulants/_resources/nu-lht-2m_sds.pdf
- Родэ О.Д., Иванов А.В., Назаров М. А. и др. Атлас микрофотографий поверхности частиц лунного реголита. Прага: Академия, 1979. 242 с.
- Smelov V.G., Sotov A.V., Agapovichev A.V. et al. Selective Laser Melting of Metal Powder of Steel 316l // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. V. 142. Art.ID. 012071. doi: 10.1088/1757-899X/142/1/012071
- Goulas A., Binner J.G.P., Engstrom D.S. et al. Mechanical behaviour of additively manufactured lunar regolith simulant components // Proc. IMechE Part L: J. Materials: Design and Applications. 2018. doi: 10.1177/1464420718777932
Supplementary files
Supplementary Files
Action
1.
JATS XML
2.
Fig. 1. Comparison of the particle shape of natural regolith (a, b) [19] with gabbro-diabase for fractions: HD 50-100 (c), HD 100-140 (g).
Download (60KB)
3.
Fig. 2. Morphology of particles. Above: powder composition GD 50-100 with magnifications of 55, 300 and 500 times, from left to right. Below: powder composition GD 100-140 with magnification of 55, 300 and 600 times, from left to right. The dimensional lines mark the particles with the sizes of the main axes exceeding the specified upper limit of the fractionality.
Download (96KB)
4.
3. Morphology of the particle surface for 316L stainless steel powder, the fraction size is 10...50 microns, the shape is close to spherical [23].
Download (22KB)
5.
Fig. 4. Special regolith particles [22]: sintering of regolith particles on the surface of a spherical glass particle, Luna-16 (a); impact microcrater on the surface of a spherical glass particle, Luna-16, Sea of Abundance (b); dentrite particle (c).
Download (38KB)
6.
Fig. 5. Trajectories of the laser beam along the substrate under different fusion modes (1-14).
Download (30KB)
7.
6. Tracks for the GD 50-100 powder composition for different fusion modes P, V: (a) - 100 W, 200 mm/s; (b) — 80 W, 175 mm/s; (c) — 50 W, 200 mm/s.
Download (43KB)
8.
Fig. 7. Tracks for LDR 0-100 powder composition for different fusion modes P, V: (a) 80 W, 175 mm/s and (b) 50 W, 125 mm/s.
Download (55KB)
9.
8. The powder layer on the construction platform of G 100-140 (left) and DR 0-100 (right).
Download (75KB)
10.
Fig. 9. Top row: photos of fusion of single-layer samples from powder compositions GD 50-100, G 100-140, and others 0-100 (from left to right). Bottom row: photographs of single-layer samples from GD 50-100, GD 100-140 after removal of residual powder outside the fusion zone.
Download (73KB)
11.
10. Samples fused at different values of the volumetric density of the supplied energy: (a) extremely loose, with an energy density of less than 10 J/mm3; (b) with a satisfactory shape, with an energy density of 10...25 J/mm3; (c) with an extremely distorted geometry, with an energy density of more than 25 J/mm3.
Download (43KB)
12.
11. Micrographs of the sample surface for the composition GD 100-140 in SLS modes with parameters 60 W, 125 mm/s, 16.8 J/mm3 (top) and 80 W, 150 mm/s, 18.7 J/mm3 (bottom); magnification 35, 100, 2300 times (from left to right).
Download (65KB)
13.
12. Trial fused samples from four compositions on substrates: G 0-100 and DR 0-100 (top) and G 50-100 and GD 100-140 (bottom).
Download (56KB)
14.
Fig. 13. Dependence of the porosity of the samples for compositions G 50-100 and GD 100-140 on the volume density of the supplied energy E.
Download (21KB)
15.
14. Integral particle size distributions for powder compositions: GD 0-100, GD 50-100, GD 100-140 and LDR 0-100 and the particle distribution region for all samples of regolith from Apollo-16 (Apollo-16 max and Apollo-16 min).
Download (24KB)
16.
Table 1
Download (17KB)
17.
Table 2
Download (16KB)
18.
Table 3
Download (17KB)
19.
Table 4
Download (16KB)
20.
Table 5
Download (26KB)
21.
Table 6
Download (11KB)
