ИСТИНА

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.

The project "Scientific basis for the development of lunar 3D printer» is aimed at solving the scientific problem " Search and study of the optimal method for fusing lunar regolith with the use of SLS/M (Selective Laser Sintering/Melting) technologies". Despite the fact that today additive technologies are rapidly developing and there are already many different ways of 3D printing with various materials, using of additive technologies in space and on the moon has been discussed relatively recently. This problem has been formulated in recent years due to the emerging interest of space powers, including Russia, in the exploration and development of the Moon. This interest will require the creation of a space infrastructure on it and, in the long term, a lunar base. The use of lunar regolith for the manufacture of mechanical elements of the lunar infrastructure will allow us to abandon the delivery of massive cargo from Earth and thereby significantly reduce the cost of lunar cosmonautics. The idea of creating habitable bases on the Moon has been discussed for several decades, and in recent years, the creation of such a base seems to be a feasible project in the future 15-20 years. Already in the current decade, Russia, the United States and China plan to implement several large-scale lunar projects to study the physical conditions at the lunar poles, including in the framework of manned expeditions. The relevance of this project stems from the general relevance of this topic for space lunar research. The task of developing lunar 3D printing technology is dictated by the fact that to build a lunar infrastructure it is necessary to deliver large-sized elements to the Moon (power plants, antennas for space communications, scientific equipment placement facilities, etc.) and the high cost of delivering such structures from Earth complicates the practical development of the Moon (delivery of 1 kg of cargo to the Moon costs from 50 to 70 thousand dollars per kilogram) because it requires the use of heavy launch vehicles. To solve this problem many space centers was proposed to create using additive technologies building elements (BE) from lunar regolith directly on the lunar surface, and then assemble the necessary structures from them. The authors of this project draw attention to the fact that it is important to show that the resulting structural elements and infrastructure parts will have the necessary strength and thermo-mechanical properties for their practical application, taking into account the possible temperature difference in the range from plus 130° C during the day up to minus 180° C at night, as well as static loads from objects placed on them. In some cases, dynamic loads from moving parts should also be taken into account. Research on the development of domestic technologies for additive printing of BE from lunar regolith is moving into practice. At the end of this decade, it is planned to conduct the first scientific experiment "Lunar Printer" on board the automatic lunar station "Luna-28» (see below and file 2, section 1). The relevance of the declared Russian Science Foundation project lies in the need to develop scientific foundations and formulate initial requirements for conducting this space experiment. The project will use simulators of lunar regolith available to Russian scientists, which have all the basic properties of real lunar matter delivered to Earth by Soviet "Moons". In this project, the basic requirements for BE that meet the conditions for creating mechanical structures on the lunar surface will be determined, and the optimal properties of the initial powder from the simulator lunar regolith be clarified for 3D printing and the optimal conditions of the printing process will be experimentally established based on SLS/M. Experimental studies in the project will be accompanied by theoretical estimates and numerical simulations. Laser 3D printing includes already well-developed technologies for manufacturing parts of complex shapes (mostly metal). As a starting material for printing, specially prepared powders are used, the particles of which have a uniform chemical composition, an almost perfect spherical shape, and a well-chosen granulometric composition, but lunar regolith as a natural material is very different in its chemical, physical and mechanical characteristics from such powders. To use it in 3D printing, you should prepare the initial powder with optimal properties by the shape of the particles and their particle size distribution. To work with such a powder, it is necessary to select optimal fusion conditions and choose laser equipment, the modes of which provide these conditions. These issues are still insufficiently studied in the world science and they are planned to be investigated in this project. The project will include: theoretical and experimental study of the process of fusion of lunar regolith to create the scientific basis for the first Russian space experiment "Lunar Printer". As part of the scientific objectives of this study, it will be shown that the method of selective laser fusion makes it possible to produce prototypes with the necessary dimensional and strength characteristics from the lunar soil simulator. In this case, it will be clarified how the initial powder should be prepared to obtain samples with the necessary strength and thermo-mechanical properties. The project will solve THREE TASKS: TASK 1: Analysis and comparison of the required properties of BE with the expected parameters of BE made from lunar regolith by the method of SLS/M: TASK 2: Production of two series of experimental BE samples from a lunar regolith simulant using 3D printing technology based on the method SLS/M: TASK 3: Analysis of manufactured prototypes and development of recommendations for creating a laboratory model of a Lunar printer: Expected results The expected results correspond to the three basic tasks of the project: For TASK 1: (1.1) For the first time, the strength and thermo-mechanical parameters of BE will be proposed for several typical structures for lunar infrastructure assembled from BE (СЭ) made from lunar soil. Estimates of the required strength, elastic and thermomechanical parameters of BE with different overall dimensions will be obtained. (1.2) On the basis of theoretical calculations, the expected dependences of the strength, elastic, and thermomechanical parameters of experimental BE samples made by selective laser fusion will be obtained, depending on the parameters of the initial powder from the lunar regolith simulator, the fusion mode, and the scanning strategy. For TASK 2: (2.1) The initial technical requirements of industrial 3D laser printers (laser type, power, wavelength, scanning system, regolith feeding, powder sieving, etc.) will be obtained to create applications to Additive Technology Centers for laser fusion of powder from the lunar regolith simulator to obtain the first series of BE (СЭ) samples. (2.2) Two sets of lunar regolith simulant powders will be produced (2.3) Two series of 5 test and 5 prototype BE (СЭ) will be produced using industrial 3D laser printers (2.4) A theoretical model of the process of selective laser melting of experimental BE (СЭ) samples from powder from the lunar soil simulator will be developed. For TASK 3: (3.1) Laboratory tests of the strength, elastic, and thermomechanical properties of two series of powder samples from the lunar soil simulator will be performed. Based on the experimental data, the theoretical model for estimating the strength, elastic, and thermomechanical parameters of BE (СЭ) will be tested and, if necessary, corrected. (3.2) Initial recommendations will be prepared for the second series of prototypes The significance of the new scientific topic is that the samples fused in the project using SLS / M technology from the lunar regolith simulator should show that it is possible to create such a 3D printer that will allow printing samples with specified properties on the Moon for their practical application. Currently, the creation of products from lunar regolith of simple geometry by the SLS/M method is quite feasible. The novelty of the subject of the presented project is that an understanding of the physical fusion process itself should be achieved and the influence of its parameters on the strength, elastic and thermal characteristics of the manufactured product should be clarified (see the project implementation scheme in File 2, section 2). The authors of the project have extensive experience in using additive technologies to create metamaterials with specified properties. This experience has shown that it is difficult to predict the properties of the final product within the framework of these technologies. To date, there are no analytical and theoretical works on the fusion of the lunar regolith simulator. All the studies known to the authors were performed on the basis of field experiments and the results obtained were not compared with the theoretical model. Also, an important requirement for the development of lunar additive technologies is to take into account the features of the lunar environment (vacuum, low temperature, etc.). gravity, significant temperature changes, and cosmic radiation), which can affect both the fusing process and the manufactured building element. In all existing studies, fusion was performed with a continuous laser, and it is not clear whether a pulsed laser is applicable for such a task. The project, if supported, will affect the further development of the Russian lunar program. The results obtained in the project will become a scientific experimental and theoretical basis for creating a laboratory model of a lunar 3D printer for the "Luna-28" space project at the next stage. This automatic lunar spacecraft will fly to the Moon at the end of this decade to deliver samples of lunar polar regolith to Earth (see File 2, section 1), and the return capsule should deliver several prototype parts made from regolith using additive technologies to Earth. Research on this Russian Science Foundation project should be the initial stage of preparation for this important space experiment. Experimental developments and theoretical results of the process of fusing such complex (as opposed to traditional) powders as lunar regolith will allow us to successfully reach a new level of application of additive technologies in lunar cosmonautics in the first space experiment.

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.

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.