论文标题：Development of lunar regolith-based composite for in-situ 3D printing via high-pressure extrusion system

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Hua ZHAO, Jihong ZHU, Shangqin YUAN, Shaoying LI, Weihong ZHANG

发表时间：15 Jun 2023

DOI：10.1007/s11465-022-0745-8

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月壤原位资源利用对实现人类月球长期驻留与深空探测意义重大，而现有月壤原位3D打印技术普遍存在能耗高、耗时久等问题。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2023年第18卷第2期的研究论文《Development of lunar regolith-based composite for in-situ 3D printing via high-pressure extrusion system》，提出低成本月壤基复合材料熔融挤出系统，为月球原位制造提供创新解决方案。

研究以玄武岩模拟月壤，与高性能尼龙（PA12）粉末按40%、50%、60%三种重量比混合，通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）探究复合材料热性能。结果显示，玄武岩添加对PA12熔融温度影响有限，但能促进其重结晶；为避免PA12分解，材料使用温度需低于350℃。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，PA12颗粒形状规则、分布均匀，玄武岩颗粒形状多样、尺寸分散，虽因形态和质量差异难以完全均匀混合，但仍能满足打印基本需求。

在打印实验中，研究采用活塞式颗粒挤出机制作标准拉伸和冲击试样，结合全因子实验设计分析月壤重量比、打印速度、打印温度对力学性能的影响。结果表明，月壤重量比对力学性能影响最显著：随月壤占比增加，拉伸强度下降，但弹性模量提升；打印速度提升会导致试样内部孔隙缺陷增多、层间结合减弱，使拉伸强度降低；打印温度通过改变熔融材料黏度影响打印过程，40%月壤占比下温度对拉伸强度影响更明显。当月壤占比40%、打印速度7mm/s时，试样最大拉伸强度达36.2MPa；月壤占比60%时，冲击韧性最优，达5.15kJ/m²。同时，材料存在老化现象，放置后应力下降15%-30%，应变下降45%-66%。

为实现大型构件打印，研究开发机器人辅助螺杆式颗粒挤出机。该挤出机适配多轴机器人，可打印大型或复杂曲面构件，其变径挤出螺杆能适应月壤宽粒径分布与不规则形状，保证月壤与聚合物均匀混合；独立控温多段加热器实现喷嘴温度梯度控制，确保材料充分熔融。实验证实，该设备可使月壤重量占比提升至80%，并成功打印月球栖息地模型、蜂窝结构等，验证了高压挤出系统用于月壤原位3D打印的可行性，为月球基地建设提供关键技术支撑。

关键词

原位资源利用；熔融挤出成型；月壤基复合材料；力学性能；增材制造

引用

Hua ZHAO（赵华）, Jihong ZHU（朱继宏）, Shangqin YUAN（袁上钦）, Shaoying LI（李韶英）, Weihong ZHANG（张卫红）. Development of lunar regolith-based composite for in-situ 3D printing via high-pressure extrusion system. Front. Mech. Eng., 2023, 18 (2): 29

https://doi.org/10.1007/s11465-022-0745-8

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