КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-22-00840
НазваниеНаучные основы разработки лунного 3D принтера
РуководительТомилина Татьяна Михайловна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-703 - Солнце и Солнечная система
Ключевые словалунный реголит, 3D печать, лазерные технологии на Луне, механическая прочность
Код ГРНТИ81.01.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект «Научные основы разработки лунного 3D принтера» направлен на решение научной проблемы «Поиск и изучение оптимального способа сплавления лунного реголита с использованием SLS/M (Selective Laser Sintering/Melting) технологий». Несмотря на то, что сегодня аддитивные технологии быстро развиваются, и уже существует множество различных способов 3D печати из различных материалов, про использование аддитивных технологий в космосе и на Луне заговорили относительно недавно. Эта проблема была сформулирована в последние годы благодаря появлению интереса космических держав, включая Россию, к исследованию и освоению Луны. Этот интерес потребует создания на ней космической инфраструктуры и, в отдаленной перспективе, лунной базы. Использование лунного реголита для изготовления механических элементов лунной инфраструктуры позволит отказаться от доставки массивных грузов с Земли и тем самым существенно понизить затраты на лунную космонавтику.
Идея создания обитаемых баз на Луне обсуждается несколько десятков лет и в последние годы создание такой базы представляется вполне осуществимым проектом в перспективе 15 – 20 лет. Уже в текущем десятилетии Россия, США и Китай планируют осуществить несколько крупных лунных проектов с целью изучения физических условий на лунных полюсах, в том числе в рамках пилотируемых экспедиций.
Актуальность данного проекта вытекает из общей актуальности этой тематики для космических лунных исследований.
Задача разработки технологии лунной 3D печати продиктована тем, что для построения лунной инфраструктуры необходимо доставить на Луну крупногабаритные элементы (энергетические установки, антенны для космической связи, средств размещения научной аппаратуры и пр.), а высокая стоимость доставки таких конструкций с Земли, требующая применения тяжелых ракетоносителей, усложняет практическое освоение Луны (доставка 1 кг груза на Луну стоит от 50-ти до 70 тыс.долл. за килограмм)
В качестве решения этой проблемы во многих космических центрах было предложено создавать на основе аддитивных технологий строительные элементы (СЭ) из лунного реголита непосредственно на поверхности Луны, и затем собирать из них необходимые конструкции и сооружения. Авторы данного проекта обращают внимание на то, что при этом необходимо показать, что полученные элементы конструкций и детали инфраструктуры будут обладать необходимыми прочностными и термо-механическими свойствами для их практического применения с учетом возможного перепада температур в диапазоне от плюс 130° С днем до минус 180° С ночью а также статических нагрузок от размещенных на них объектах. В отдельных случаях также следует принимать во внимание динамические нагрузки от движущихся частей.
Исследования по созданию отечественных технологий аддитивной печати СЭ из лунного реголита переходят в практическую плоскость. В конце текущего десятилетия планируется провести первый научный эксперимент «Лунный Принтер» на борту автоматической лунной станции «Луна-28» (см. ниже и файл 2, раздел 1). Актуальность заявленного проекта РНФ состоит в необходимости разработки научных основ и формулировании исходных требований для проведения указанного космического эксперимента. В проекте будут применяться имеющиеся в распоряжении российских ученых симулянты лунного реголита, которые обладают всеми основными свойствами реального лунного вещества, доставленного на Землю советскими «Лунами». В этом проекте будут определены базовые требования для СЭ, удовлетворяющие условиям создания механических конструкций на лунной поверхности, будут выяснены оптимальные свойства исходного порошка из симулянта реголита для 3D печати и будут экспериментально установлены оптимальные условия процесса печати на основе SLS/M (см.файл 2 с доп.информацией ,раздел 3). Экспериментальные исследования в проекте будут сопровождаться теоретическими оценками и численным моделированием.
Научная новизна решения проблемы состоит в том, что в рамках научных задач данного проекта будет показано, что метод селективного лазерного сплавления позволяет изготовить из симулянта лунного грунта опытные образцы с необходимыми габаритными и прочностными характеристиками. При этом будет выяснено, как должен быть подготовлен исходный порошок для получения образцов с необходимыми прочностными и термо-механическими свойствами с учетом лунных условий.
Лазерная 3D печать включает уже достаточно хорошо развитые технологии для изготовления деталей сложной формы (в основном металлических). В качестве исходного материала для печати используются специально приготовленные порошки, частицы которых имеют однородный химический состав, почти идеальную сферическую форму, и хорошо подобранный гранулометрический состав, но лунный реголит как природный материал сильно отличается по своим химическим, физико-механическим характеристикам от таких порошков.
Для применения его в аддитивной печати следует подготовить исходный порошок с оптимальными свойствами по форме частиц и их гранулометрическому составу. Для работы с таким порошком следует подобрать оптимальные условия сплавления и выбрать лазерную аппаратуру, режимы которой обеспечивают эти условия. Эти вопросы пока недостаточно изучены в мировой науке и их намечено исследовать в данном проекте. В проекте будет проведено теоретическое и экспериментальное исследование процесса сплавления лунного реголита для создания научных основ для проведения первого отечественного космического эксперимента «Лунный принтер».
В рамках проекта будет решено ТРИ ЗАДАЧИ
(см. Схему в файле 2, раздел 1 дополнительной информации)
ЗАДАЧА 1: Анализ и сопоставление требуемых свойств СЭ с ожидаемыми параметрами СЭ изготовленных их лунного реголита методом SLS/M:
ЗАДАЧА 2: Изготовление двух серий опытных образцов СЭ из симулянта лунного реголита по технологии 3D печати на основе метода SLS/M:
ЗАДАЧА 3: Анализ изготовленных опытных образцов и выработка рекомендаций для создания лабораторного прототипа Лунного принтера.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты соответствуют трем основным ЗАДАЧАМ проекта:
Для ЗАДАЧИ 1:
(1.1) Впервые будут предложены прочностные и термо-механические параметры СЭ для нескольких типовых конструкций для лунной инфраструктуры, собранных из СЭ, изготовленных из лунного грунта. Будут получены оценки необходимых прочностных, упругих и термомеханических параметров СЭ с различными габаритными размерами.
(1.2) На основе теоретических расчетов будут получены ожидаемые зависимости прочностных, упругих и термомеханических параметров опытных образцов СЭ, изготовленных методом селективного лазерного сплавления, в зависимости от параметров исходного порошка из симулянта лунного реголита, режима сплавления и стратегии сплавления.
Для ЗАДАЧИ 2:
(2.1) Будут получены исходные технические требования промышленных лазерных 3D принтеров (вид лазера, мощность, длина волны, система сканирования, подача реголита, просеивание порошка и т.д.) для создания заявок в Центры аддитивных технологий на лазерное сплавление порошка из симулянта лунного реголита для получения первой серии образцов СЭ.
(2.2) Будут изготовлены два набора порошков из симулянта лунного реголита
(2.3) Будут изготовлены две серии из 5 пробных и 5 опытных образцов СЭ с помощью промышленных лазерных 3D принтеров
(2.4) Будет разработана теоретическая модель процесса селективного лазерного сплавления опытных образцов СЭ из порошка из симулянта лунного грунта.
Для ЗАДАЧИ 3:
(3.1) Будут выполнены лабораторные исследования прочностных, упругих и термомеханических двух серий образцов из порошка из симулянта лунного грунта. На основе экспериментальных данных будет проверена и в случае необходимости скорректирована теоретическая модель для оценки прочностных, упругих и термомеханических параметров СЭ
(3.2) Будут подготовлены исходные рекомендации для второй серии опытных образцов
Значимость новой научной тематики состоит в том, что сплавленные в проекте образцы с помощью SLS/M технологии из симулянта лунного реголита должны показать, что существует возможность создания такого 3D принтера, который позволит напечатать на Луне образцы с заданными свойствами для их практического применения.
В настоящее время создание изделий из лунного реголита простой геометрии методом SLS является вполне осуществимой задачей. Новизна тематики представленного проекта состоит в том, что должно быть достигнуто понимание самого физического процесса сплавления и выяснено влияние его параметров на прочностные, упругие и тепловые характеристики изготовленного изделия (см. схему реализации проекта в файле 2 доп.информации, раздел 2).
Авторы проекта имеют большой опыт применения аддитивных технологий для создания метаматериалов с заданными свойствами. Этот опыт показал, что прогнозировать свойства конечного изделия в рамках этих технологий трудно. На сегодняшний день нет аналитических и теоретических работ по сплавлению симулянта лунного реголита. Все известные авторам исследования были выполнены на основе натурных экспериментов и полученные результаты не были сопоставлены с теоретической моделью. Также важным требованием для развития лунных аддитивных технологий является учет особенностей лунной среды (вакуум, малая сила тяжести, значительные перепады температур, космическая радиация), которые могут повлиять как на процесс сплавления, так и на изготовленный строительный элемент. Во всех существующих работах сплавление проводили непрерывным лазером, и нет понимания, применим ли импульсный лазер для такой задачи
Проект в случае его поддержки повлияет на дальнейшее развитие российской лунной программы. Полученные в проекте результаты станут научной экспериментальной и теоретической основой для создания на последующем этапе лабораторного макета лунного 3D принтера для космического проекта «Луна-28». Этот автоматический лунный аппарат полетит на Луну в конце текущего десятилетия для доставки на Землю образцов лунного полярного реголита (см. в файле 2, раздел 1), а возвращаемая капсула должна доставить на Землю несколько опытных образцов деталей, изготовленных из реголита по аддитивным технологиям. Исследования данного проекта РНФ должны стать начальным этапом подготовки этого важного космического эксперимента. Экспериментальные наработки и теоретические результаты процесса сплавления таких сложных (в отличии от традиционных) порошков как лунный реголит, позволят уже в первом космическом эксперименте успешно выйти на новый уровень применения аддитивных технологий в лунной космонавтике.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Несмотря на то, что сегодня аддитивные технологии быстро развиваются, и существует много различных вариантов 3D печати из разных порошковых материалов, вопрос об их применении в космосе возник недавно в связи с планами космических стран перейти от изучения космоса к его освоению, в первую очередь ближайшей планеты Луны, и изучить возможность использования природных материалов для строительства лунной инфраструктуры.
Так как для научного коллектива заявленная тематика является новой, то для решения поставленных Задач 1-3 был проведен подробный анализ литературы по нескольким направлениям, связанным с их решением:
• Лунный грунт и его свойства
• Имитаторы лунного реголита
• Аддитивные технологии и оборудование
• Моделирование процесса сплавления
По этим материалам подготовлен обзор с выводами, на основании которых были выбраны:
А) Аддитивная технология.
В качестве наиболее перспективной технологии для задачи сплавления лунного реголита на Луне была выбрана технология селективного лазерного сплавления (СЛС):
- Данная технология использует в качестве исходного материала сырье без добавок.
- Технология позволяет создавать образцы различной геометрией под разные задачи, не меняя устройство самой установки.
- Гибкость настройки режимов сплавления позволяет менять и корректировать их уже непосредственно на Луне для достижения наилучшего результата образов.
- Агрегаты входящие в состав установки СЛС хорошо изучены и были уже использованы в космических условиях
Б) Лазерная установка для реализации СЛС технологии с определенными параметрами.
Для лабораторных экспериментов были выбраны три промышленные установки 3D печати с непрерывным лазером, излучающим на длине волны 1060нм – 1080нм (Yb:YAG, Nd:YAG). Выбор установки в первую очередь определялся выбором типа лазера, так как было установлено, что на длине волны 1060 нм реголит поглощает около 92% падающего излучения, в то время как, например, для газового СО2 лазера (длина волны 10600 нм) это значение не превышает 18%. Также при выборе учитывалась возможность ручного управления установкой во время печати изделия. Процесс сплавления порошка проходил в инертной среде (азот) по технологическим требованиям к установке.
В) Реголит и его имитаторы
Для исследований в данной работе были выбраны два типа имитаторов с характеристиками, которые являются определяющими для теплового процесса: измельченный лабрадорит и габбро-диабаз – природные земные минералы, наиболее близкие по минеральному и химическому составам к лунному реголиту: лабрадорит хорошо имитирует материковый тип реголита, а габбро-диабаз морской тип. Гранулометрический состав порошка лабрадорита, предоставленный институтом ГЕОХИ, хорошо согласуется с составом лунного реголита, доставленного миссией Аполлон-16 в диапазоне размеров тех частиц порошка, которые использовались в эксперименте. При подготовке эксперимента порошки просеивали ситом 100 мкм для достижения более равномерного поглощения лазерного излучения при сплавлении.
В проведенных экспериментах также исследовалось влияние подложки на процесс сплавления порошка. Установлено, что подложка из нержавеющей стали не подходит, из-за большой разницы в температуре плавления и теплопроводности у подложки и имитатора лунного реголита. Показано, что для керамической подложки диапазон режимов больше для удачного сплавления, чем для подложки из нержавеющей стали.
Важной характеристикой для порошка при использовании его в технологии СЛМ является ТЕКУЧЕСТЬ, которая напрямую влияет на качество нанесения слоя порошка в процессе сплавления. Порошки, обладающие плохой текучестью, наносятся неравномерно на слой, что приводит к нестабильному процессу сплавления и плохому качеству изделия. Эта характеристика была оценена для имитаторов, используемых в эксперименте и составила 3.5 по шкале от 1 до 5, что является плохим показателем текучести. При таком значении порошки сильно комкуются. Интересно, что этот вопрос применительно к лунному реголиту в литературе не обсуждается.
Построена общая расчетно-экспериментальная тепловая модель процесса сплавления, основанная на двух уравнениях: уравнение теплопроводности с подвижными границами и уравнение Навье-стокса, описывающее динамику жидкости (расплавленного порошка). В качестве модели лазерного источника как правило используется модель Гауссового пучка, так как такую форму имеют пучки волоконных лазеров.
В работах по моделированию процесса СЛС в качестве исходного порошка рассматривают порошки из металлов и сплавов, у которых частицы однородны по химическому составу, близки по размерам и имеют правильную сферическую форму. На практике это достигается специальным приготовлением порошков с заданными требованиями. Использование таких порошков сильно упрощает теоретическую модель. В нашей задаче используется порошок реголита, свойства которого существенно другие. И для них попка нет тепловой модели.
Тем не менее было принято решение применить аналогичный подход и для решения нашей задачи 1, так как исследования технологии СЛС применительно к порошкам – имитаторам реголита, должны пройти тот же путь, что и применительно к металлопорошкам.
Проведены лабораторные эксперименты (п.7 Отчета)
Эксперимент 1 – первый эксперимент по сплавлению порошка имитатора лунного реголита на импульсной установке. Удалось сплавить порошок, однако повторить заданную геометрию не получилось. (п.7 Отчета, стр.27)
Эксперимент 2 – эксперимент по сплавлению порошка имитатора лунного реголита в промышленном 3D принтере. Столкнулись с проблемой несплавления порошка с металлической подложкой. (п.7 Отчета, стр.27)
Эксперимент 3 – эксперимент по определению наиболее подходящей подложки для порошка имитатора лунного реголита. (п.7 Отчета, стр.28)
Эксперимент 4 – эксперимент по сплавлению порошка имитатора лунного грунта с учетом опыта полученного в экспериментах 1-3. Удалось получить изделия заданной геометрии.(п.7 Отчета, стр.30)
В результате проведенных экспериментов:
- впервые произведено сплавление специально подобранных (некоммерческих) имитаторов и получены образцы заданной формы. Что дает основание для дальнейшего выполнения общего плана работ по проекту
- получена первая серия опытных образцов небольших размеров, которые имели хрупкую структуру и высокую твердость.
- по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана методика сплавления образцов, на основе упрощенной теоретической тепловой модели сплавления и экспериментально полученными параметрами процесса на установке с лазером малой мощности, по которой будут выполнены экспериментальные исследования 2023 году для установления связи характеристик порошка и режимов сплавления со свойствами полученного в результате сплавления образца.
Публикации
1. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И., Лысенко А.М ЭКСПЕРИМЕНТ «ЛУННЫЙ-ПРИНТЕР» ПО ЛАЗЕРНОМУ СПЛАВЛЕНИЮ ЛУННОГО РЕГОЛИТА В КОСМИЧЕСКОМ ПРОЕКТЕ «ЛУНА-ГРУНТ» Космические исследования (Cosmic Research), T. 61, № 4, стр. 311-321, - М. 2023 г. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0023420622600313
2. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина Т.М. Testing SLM technology with simulants of lunar regolith: applications to Lunar Printer experiment The Thirteenth Moscow Solar System Symposium 13M-S3, стр 110 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21046/13MS3-2022
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Для успешного проведения новых лабораторных экспериментов по отработке технологий СЛС с использованием имитаторов лунного реголита были проведены исследования свойств природного реголита, которые являются определяющими для процесса сплавления и имитаторов реголита, которые используются в экспериментах.
В результате проведенных исследований была обоснована возможность применения земных пород - измельченного габбро-диабаза (ГД) и лабрадорита в качестве имитаторов реголита, соответственно морского и материкового типа. Изучив свойства реголита, которые являются определяющими для применения метода СЛС, было предложено по сравнению с обычно используемым коммерческим имитатором JSC-1 (США) с гранулометрией частиц 0-150 мкм использовать две порошковых композиции с фракционностью 50-100 мкм и 100-140 мкм с совокупным распределением частиц, которое укладывается в диапазон минимальных и максимальных значений для образцов реголита, доставленных на землю аппаратом «Аполлон -16».
Проведены экспериментальные исследования применимости метода СЛС при использовании порошковых композиций имитатора реголита в качестве исходного материала. Было изготовлено несколько серий опытных образцов с характерным размером 5х6х7мм3 из композиций ГД 50-100 и ГД 100-150, всего около 180 шт.
Для выбора параметров экспериментов для метода СЛС была построена расчетно-экспериментальная модель сплавления порошковых композиций из ГД. Следует отметить, что в литературе нет результатов по тепловым моделям имитатора реголита для метода СЛС.
На опытных образцах исследованы их свойства: объемная плотность, твердость и прочность при сжатии на разных режимах сплавления.
Получены зависимости этих свойств от объемной плотности подводимой энергии в диапазоне от 12 Дж/мм3 до 25 Дж/мм3. Измеренная твердость по Виккерсу имела диапазон 691-830 HV, образцы из композиции 100 – 140 мкм имели более широкий диапазон: 330-830 HV. Максимальные значения прочности на сжатие для образцов из обеих композиций достигали 17-20 МПа при медианных значениях 12 МПа и 17 МПа для первой и второй композиции соответственно.
Указанные значения вполне соответствуют тем, которые моги бы быть получены при переработке лунных ресурсов in-situ.
Получены экспериментальные зависимости пористости сплавленных образцов от величины объемной плотности энергии сплавления. В обоих случаях узких диапазонов фракционности порошковых композиций из габбро-диабаза, как 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.
Показано, что композиции с узкими диапазонами позволяют изготовить тестовые образцы с достаточно хорошими свойствами по параметрам: относительно низкой пористостью и достаточно хорошим воспроизведением заданной геометрической формы.
Также было экспериментально показано, что для исследования применимости метода СЛС для переработки реголита как морского, так и материкового типа можно использовать один вид имитатора, и в экспериментальных исследованиях в данном проекте использовался габбро-диабаз (ГД)
Исходный материал – имитатор реголита должен проходить стадию предварительной подготовки, при этом в качестве имитатора могут выступать измельченные земные породы: габбро-диабаз или лабрадорит.
Исследования показали, что для выбранной технологии не имеет значения какой имитатор морской или материковый, определяющее значение имеет формы частиц и характер распределение их по размерам.
Поставленные задачи проекта полностью выполнены и результаты представлены в публикациях.
Публикации
1. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина ПОЛУЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛУННОГО РЕГОЛИТА С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Научные труды 6-ой Международной научно-технической конференции "Живучесть и конструкционное материаловедение" (ЖИВКОМ–2022), Москва, с. 151-154 (год публикации - 2023)
2. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина Т.М. Изучение свойств образцов из имитатора лунного реголита, полученных методом селективного лазерного сплавления Космические исследования (Cosmic Research), - (год публикации - 2024)
3. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И., Лысенко А.М. Porosity and compressive strength of test samples produced by SLM using rock gabbro-diabase based powder as a lunar regolith simulant Acta Astronautica, - (год публикации - 2024)
4. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И., Лысенко А.М. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ ИМИТАТОРОВ ЛУННОГО РЕГОЛИТА С РАЗЛИЧНЫМИ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Космические исследования (Cosmic Research), T. 62 (год публикации - 2024)
5. Томилина Т.М., Ким А.А., Лысенко А.М. Laboratory testing for isru of lunar regolith by slm technology Abstract book of THE FOURTEENTH MOSCOW SOLAR SYSTEM SYMPOSIUM 14M-S3 – Space Research Institute of Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. October 9-13, 2023, p.122 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21046/14MS3-2023
Возможность практического использования результатов
Выполненные исследования производились в обеспечение научного задела для будущих Лунных миссий, запланированных в рамках Программы Роскосмоса.