3D-печать станет ключевой технологией в освоении космоса благодаря своей способности создавать практически любые объекты и возможности использовать местные ресурсы. Однако чем больше космических ресурсов используется при печати, тем больше изменяются механические свойства по сравнению с земными, что приводит к проблемам с прочностью на растяжение и сжатие.
Новое исследование
В статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, исследователи из Университета Конкордия определили, сколько лунного реголита можно использовать в смешанном сырье для аддитивного производства. Это позволяет использовать ещё больше материалов местного происхождения и сократить расходы на запуск.
Методика исследования
Исследователи смешали имитатор лунного реголита (материал, созданный для имитации свойств материала на поверхности Луны) с полифенилен-эфир-кетоном (PEEK), который уже широко используется в 3D-печати. Предыдущие попытки объединить его с лунным реголитом не увенчались успехом из-за проблем с экструзией.
Реголит, состоящий из твёрдых отдельных частиц, затруднял экструзию без того, чтобы не разнести пыль повсюду. Дополнительные проблемы возникали из-за пористости напечатанного материала, что приводило к снижению прочности на растяжение и повышению хрупкости.
Модификации метода 3D-печати стали решением этих проблем. В статье обсуждались два основных технологических достижения: винтовая конфигурация и новый тип «плота», используемого для соединения напечатанного материала с печатной плитой.
Результаты
Сочетание имитатора лунного реголита (LRS) с PEEK — непростое дело. Исследователи под руководством Мохаммеда Азами из отдела электротехники Университета Конкордия решили использовать новую «двухвинтовую» конфигурацию.
При более высоком содержании реголита возрастал крутящий момент, что в итоге ограничивало общий процент реголита, смешанного с PEEK, примерно до 30%. С новой конфигурацией исследователи смогли получить концентрации до 50% реголита в сочетании с PEEK.
Однако при печати этих деталей они начали расслаиваться и деформироваться. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали «плот» — тип промежуточного слоя, помогающего напечатанному материалу соединиться с основной печатной пластиной. В их случае они использовали другой тип термополимера, известный как полиэфир-кетон-кетон (PEKK), в качестве плота и внедрили систему с двумя соплами, где PEKK печатался с помощью одного сопла, а комбинация LRS/PEEK — с помощью другого.
После того как исследователи получили более высокие концентрации LRS и преодолели проблему расслаивания и деформации, они решили отжигать свои образцы. Процесс отжига, по-видимому, улучшил некоторые механические свойства отпечатка, но только до определённого момента. При более высоких концентрациях LRS преимущества отжига были не так очевидны из-за разрывов в полимерной цепи PEEK, которая выигрывает от отжига из-за увеличения количества частиц реголита.
Как и в случае со всеми хорошими статьями о 3D-печати новых материалов, авторы изучили механические свойства своего результата. Хотя было заметное увеличение жёсткости, наблюдалось постепенное снижение прочности на растяжение, которое усугублялось при более высоких концентрациях LRS.
Комбинированный материал также имел уменьшенное «удлинение при разрыве» (то есть повышенную хрупкость), но в конечном итоге исследователи определили, что лучший компромисс для использования местных материалов — это смесь из 60% PEEK и 40% реголита. Эта смесь не страдает от некоторых более серьёзных ухудшений механических свойств, при этом максимально используя местные ресурсы.
Дальнейшие исследования
Конечно, здесь ещё есть возможности для улучшения, поскольку эксперименты с этими материалами находятся на ранней стадии. В будущем исследователи планируют попробовать объединить LRS с другими полимерами и провести больше испытаний и производства в имитируемых лунных условиях, таких как вакуум и пониженная гравитация.
Пройдёт некоторое время, прежде чем 3D-печать будет составлять большой процент материалов, используемых на Луне, но это время, несомненно, приближается, и эти первые шаги в экспериментах — это то, как мы в конечном итоге доберёмся до этого.