Additive Manufacturing期刊发表“模拟月壤光固化3D打印成果”

2023年5月12日，东莞理工学院粤港研究团队课题组在Additive Manufacturing期刊（增材制造期刊，中科院JCR大类一区，IF=11.632）发表了最新的模拟月壤光固化3D打印成果：Additive manufacturing of high solid content lunar regolith simulant paste based on vat photopolymerization and the effect of water addition on paste retention properties（
https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103607），东莞理工学院硕士研究生肖创为第一作者，课题组陈盛贵高级工程师、马宏伟教授和深圳大学陈张伟教授为通讯作者，卢秉恒院士为论文提供指导并署名。陈盛贵高级工程师和陈张伟教授为中国生产力促进中心协会增材制造专业委员会特聘专家。

 

人类探索月球的梦想一直在进行中。自20世纪50年代以来，美国、苏联和中国成功地从月球上取回了珍贵的月球土壤。它使科学家们对行星的演化和宇宙的形成有了新的认识，为揭开宇宙的奥秘奠定了基础。但是由于月球上的特殊环境（如大温差和高辐射等）不适宜生存，所以科研基地的建设可以为人类进行更远的太空探索提供安全的立足点。可是从地球上运送建筑材料既困难又昂贵，因此要实现月球建设的可持续发展，更需要利用月球的本土资源。而增材制造（AM）作为一种快速成型技术，促进了月球原位资源利用（ISRU）的研究进展，并受到众多科研人员的青睐。

目前粘结剂喷射、激光熔融等多种打印技术的已经得到验证，但仍面临着机械性能低、孔隙率大、表面质量差等问题。虽然光固化打印技术已经实现了机械性能和打印精度等多维度的提高，不过由于固含量的不足，往往会导致浆料易于沉淀，储存时间短，烧结件收缩较大等问题。尽管微重力环境会在一定程度上缓解沉降，但高固含量材料在相同条件下具有更强的稳定性和更长的储存时间，可以降低再均质化的成本。此外，高固体含量材料意味着通过使用更多的月球土壤和消耗更少的外加剂，降低了地月运输树脂等材料的成本。最重要的是，高固含量材料可以使烧结零件具有更小的收缩率、更高的密度和更优的机械性能，从而更好地满足高强度零件在月球研究基地建设中的需求。

该最新成果研究解决了高固体含量模拟月壤膏料难以平衡流变特性与滞留特性的问题，并利用乳化作用机制和吉布斯吸附公式解释了该过程的基理。其次在利用微观现象解释宏观性能差异的基础上，采用力学公式的数学微分解释了不同微观现象发生的内在原因。最终烧结件的最佳平均抗弯强度和抗压强度分别达到132.21 MPa和444.23 MPa，超过了之前报道的结果。此外，本研究也完成了一体式可活动零部件的打印。

图1 材料配置和成型原理

 

一、乳化作用基理

本研究中两种互不相溶溶液混合振荡形成的分散体系表面吉布斯函数很高，并且是热力学不稳定状态。在润湿分散剂加入后，其极性基团指向水，非极性基团指向树脂，从而降低了界面张力，提高了乳剂的稳定性。而依据Gibbs吸附方程，界面张力越低，界面上表面活性剂吸附量越大（正反馈作用），界面上定向单分子层排列越紧密，界面膜的强度越大，乳状液越稳定，宏观显示即提高了材料的滞留特性。此外由于低分子量水溶液的存在，粘度也得到了降低。

图2 乳化作用过程

Γ是溶质在单位面积表面层的吸附量，RT是比表面压力，σ是溶液的表面张力，C是溶液的浓度。

二、应力学公式的数学微分

研究进一步比较分析了烧结件在层厚为50 μm时，三种摆放角度的显微观察下X-Y平面和Z方向上的微观结构。对于Z方向不同的层间结合现象，可以用应力学公式的数学微分来解释。在摆放角度为0°时，刮刀经过零件表面，单位面积的阻力最小。它将使得层间粘合进一步压实，更有利于紫外线固化。当摆放角度为45°时，由于不同位置单位面积的连续变化，导致制造的样件纹理不均匀，受力时容易发生应力集中。当放置角度为90°时，单位面积应力尽管最小，但仍然是均匀状态，边缘倾斜的原因来自于刮刀运行中材料从中间挤压到两端的不充分性。

图3 不同摆放角度下的微观分析

三、成型件的机械性能及样品展示

实验结果表明，样品层厚度为50 μm、摆放角度为0°时最适合打印，平均抗弯和抗压强度达到132.21 ± 10.54 MPa和444.23 ± 52.43 MPa，超过了之前报道的结果。此外，成型件密度和开孔率分别为2.73 ± 0.02 g/cm3和3.12 ± 0.13 %。研究也成功打印了可相互配合的螺栓螺母以及一体式可活动的零部件等组件。

图4 烧结件的抗弯性能

图5 各种成型样件

四、文章总结

本研究首次采用立体光聚合（SLA）技术（法国进口陶瓷3D打印机3DCERAM-CERAMAKER900）实现了高固含量模拟月壤（LRS）膏料的打印。分析了添加水溶液对膏料性能的影响，然后从性能表征和微观角度分析了最适合的打印层厚和摆放角度，最后成功地制造了高精度多孔结构以及一体式可衔接的零部件。这份工作可以使烧结零件具有更小的收缩率、更高的致密度和更优的机械性能，从而更好地满足高强度零件在月球研究基地建设中的需求，并且为相关领域材料的配置研发提供新思路。另外，对于如何通过结构的梯度优化以应对月球大温差、强辐射等特殊的环境仍需深入研究。

专委会特聘专家陈盛贵介绍：
陈盛贵：博士，高级工程师，硕士生导师，博士后导师；
全国增材制造标准化技术委员会专用材料工作组委员、中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会委员、广东省3D打印标准化技术委员会委员、广东省增材制造协会技术委员会委员、中国生产力促进中心协会增材制造专业委员会特聘专家、广东省科技厅评审专家、广东省工信厅评审专家、广东省工业机器人与自动化控制工程技术研究中心主任；
主要从事陶瓷、运动康复等增材制造（3D打印）研究。承担有广东省重点领域研发计划项目、广东省重大专项及横向研究课题多项，到账科研经费800余万。发表SCI论文20余篇；授权专利80余项，其中国内外发明专利26项（第一发明人）；获中国产学研合作促进会产学研合作创新与促进奖工匠精神奖，获日内瓦国际发明展金奖1项，获澳门国际创新发明展金奖11项、银奖4项，获第二届世界发明创新论坛“发明创业奖-项目奖”银奖1项；主编及副主编教材5本；牵头起草团体标准3项、参与起草国家标准1项及团体标准9项；指导学生参加挑战杯、互联网+等竞赛获省级以上奖励20余项。