0 引 言
近年来，各国研究者纷纷采用模拟月壤对多种增材制造技术的可行性进行验证，主要包括水泥轮廓成型[3]、喷墨技术[4]、黏结剂喷射打印技术[5]、选择性激光熔化[6-11]、激光工程净成型[12]、月壤烧结[13-14]、太阳能聚光烧结/熔融打印等[15-19]。其中，水泥轮廓技术、喷墨技术和黏结剂喷射打印技术需要从地球运送大量黏结剂材料，如水、硫磺和高分子材料等。这类技术的发射成本较高，且黏结剂在月面极端环境的长时间使用的可靠性较差。例如，在高真空环境中，水和硫等容易升华；而在强辐射环境下，高分子黏结剂化学键断裂，导致骨料暴露、材料失效等问题[20]。激光工程化净成型技术通过惰性气流将粉末输送到打印平台，再经过同轴激光束的加热熔化并沉积到打印平台，从而构建3D轮廓。然而，月球的高真空环境使得气体输运粉末的应用成本极高。月壤烧结技术以微波烧结和热压烧结为代表，其制造过程受限于模具的尺寸与形状，难以实现复杂结构的一次成型。选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）和太阳能聚光烧结/熔融打印技术是在粉末床熔覆基础上发展出来的月面原位建造与制造技术，采用聚焦光束对月壤粉末进行加热烧结/熔化，凝固后成型获得月壤打印功能件，可实现“无添加”月壤材料的打印成型。比较而言，利用聚焦太阳光进行月壤熔融打印是月表长期探索建设中最具前景的建材制备方案。一方面，月面高真空环境确保了充足的光照时长和太阳辐照强度；另一方面，该技术无需黏合剂和二次能源转换，可实现材料与能源的高效利用。此外，与选择性激光熔化相比，月壤光热熔融凝固成型技术采用的光斑尺寸大（10 mm），成型效率高，成本低，更适用于月面的大型构件的原位建造与制造。与太阳能聚光烧结技术相比，月壤光热熔融凝固成型技术将松散的月壤加热至熔化，成型件具有更高的致密度和成型精度，更具月面应用的前景。
1 国内外研究进展
利用聚焦光束熔化月壤进行3D打印的过程中，普遍存在打印样品孔隙度高、致密度不足等问题。如何通过月壤光热熔融获得高质量打印制件，仍然面临诸多挑战。Goulas等[7]系统研究扫描速度、铺粉间距、激光功率、光斑直径和粉层厚度对SLM成形样品微观结构、表面粗糙度和力学性能的影响。研究发现，成形件相对孔隙率达44%~49%，密度范围为1.76~2.30 g/cm3，最高抗压强度4.2±0.1 MPa。Gerdes等[11]采用玄武岩模拟月壤，在激光功率100 W、波长1070 nm的条件下制备样品，通过正交试验优化铺粉间距、扫描速度、层厚和激光功率组合参数，发现最高抗压强度可达10.6±1.9 MPa。Balla等[12]的研究显示，成形密度与激光能量密度呈正相关，但受月壤低导热性限制，熔池稳定性差，容易产生孔隙缺陷。
然而，月面高真空环境对月壤熔融凝固过程控制提出了更加严苛的要求。月壤模拟物的烧结熔融实验表明，在液相线附近，钠（Na）、钾（K）、硅（Si）等元素已经开始蒸发[29]。蒸发产生的气泡在高黏度熔体内难以逸出[30]，这些气泡是月壤打印制件中大量孔隙缺陷的主要原因[10，31]。特别是在真空环境中，由于沸点降低，气泡的形成更加剧烈，在熔体内膨胀尺寸更大，从而形成大量气孔缺陷，使孔隙率升高。月壤熔体的表面张力会随温度变化[32]，温度梯度会在熔体内激发马兰戈尼（Marangoni）对流。研究表明，马兰戈尼对流有助于熔体内气泡的排出[33]，进而减少气孔缺陷。此外，月壤是一种低导热的材料[34]，在高真空环境下，聚焦光束的能量难以深入月壤粉末床，需要提升光斑功率确保形成稳定的熔池。然而，但聚焦光束能量的提升将导致月壤熔体内部产生大量气泡，破坏熔体稳定性，并在凝固后产生大量气孔缺陷。目前，真空环境下的月壤光热熔融打印成型已成为亟待解决的瓶颈问题。
中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室研究团队通过搭建适应月面高真空环境的月壤光热熔融打印试验系统，开展了月壤光热熔融凝固成型试验。原位监测了熔池形成与生长过程，获得了真空环境下月壤光热熔融凝固成型的工艺参数，并成功实现了尺寸为5 cm×5 cm×3 cm的方形功能件打印。这一成果有效提升了技术成熟度，为系统设计和工程研制提供了重要依据。
2 高真空环境月壤光热熔融凝固成型试验系统
开展高真空环境月壤光热熔融凝固成型试验，可以有效验证真空环境下的月壤光热熔融、熔池形成与熔体铺展动力学，并系统研究打印工艺参数的可行性。基于上述需求，本文设计了相应的试验系统，结构如图2 所示。
高真空环境月壤光热熔融凝固成型试验系统包括真空腔、铺送粉模块、熔融成型模块、等效激光光源、监视模块和控制器。由于地面开展太阳聚光熔融月壤实验存在时间和空间的限制，因此采用激光模拟毫米级聚焦太阳光束进行工艺探索。各部分的基本功能如下：
（1）真空腔。用于提供高真空环境，并确保打印过程中真空度的稳定性。
（2）铺送粉模块。用于存储月壤原料和铺设粉末床。
（3）熔融成型模块。用于承接月壤粉末床，用于月壤熔融打印预设扫描路径的执行。
（4）等效激光光源。为月壤熔融打印提供聚焦光束，光斑尺寸为10 mm，并具备功率可调功能。
（5）监视模块。采用摄像机原位观测高真空环境月壤光热熔融凝固成型过程；采用红外相机原位监测打印区域温度变化。
（6）控制器。用于上述所有模块的供电，并对各模块进行时序控制。同时，负责试验数据采集、存储和转移。
3 试验工况
3.1 高地模拟月壤
采用吉林大学研制的JLU-H型模拟高地月壤[35]作为原材料，在高真空环境下进行月壤光热熔融凝固成型试验。JLU-H模拟高地月壤由大庙斜长岩与金川玄武岩混合而成，其质量百分比分别为80%和20%。该材料的化学成分和粒度分布详见表1 和表2 。
表 1 JLU-H模拟高地月壤原料化学成分Table 1 Chemical composition of the JLU-H lunar regolith simulant |
| 化学成分 | 金川玄武岩/wt% | 大庙斜长岩/wt% |
| SiO2 | 47.79 | 65.13 |
| Al2O3 | 16.32 | 19.31 |
| CaO | 6.96 | 6.42 |
| FeO | 0 | 0 |
| Fe2O3 | 12.38 | 1.29 |
| MgO | 6.89 | 0.06 |
| TiO2 | 1.07 | 0.04 |
| MnO | 0.33 | 0.01 |
| Na2O | 5.39 | 4.97 |
| Cr2O3 | 0 | 0 |
| K2O | 2.47 | 2.76 |
| P2O5 | 0.40 | 0.01 |
| S | − | − |
| SO3 | − | − |
| LOI | − | − |
表 2 JLU-H模拟高地月壤的粒度分布Table 2 Particle size distribution of the JLU-H lunar regolith simulant |
| 序号 | 粒径范围/μm | 重量百分比 |
| 1 | <10 | 15.9% |
| 2 | 10~25 | 14.1% |
| 3 | 25~50 | 15.1% |
| 4 | 50~75 | 9.7% |
| 5 | 75~100 | 6.5% |
| 6 | 100~250 | 16.7% |
| 7 | 250~500 | 12.0% |
| 8 | 500~ | 10.0% |
3.2 打印工艺参数
在开展月壤功能件的真空打印前，必须先确定打印的工艺参数。本文采用单熔道打印实验优化激光功率和扫描速度；采用单层样品打印实验优化了熔道间距；采用多层样品打印实验优化了铺粉厚度。初步确定最优的打印工艺参数为：光斑直径10 mm，激光功率165 W，扫描速度0.2 mm/s，熔道间距5 mm，铺粉厚度3 mm。此外，本文还验证了不同功率下的成型效果。
4 初步试验情况
在完成试验装置的装调工作后，开展高真空下月壤光热熔融凝固成型打印试验，并实时监测打印过程中真空腔的真空度变化，如图3 所示。在试验过程中，通过控制器向各模块发送指令，试验装置内的铺送粉模块进行粉料铺设，熔融成型模块按照预设打印路径进行扫描。通过与等效激光光源的相互配合，成功实现了月壤功能件在真空环境下的打印。整个试验过程中，真空度始终保持在高真空水平（10−3 Pa）。其中，铺送粉过程对真空度的影响较大，而熔融打印过程对真空度的影响相对较小。
利用试验装置测试了不同光斑功率下的月壤熔融凝固成型能力，确定了最佳激光功率为165 W。典型打印试验过程的监测结果如图4 所示。试验结果表明，该试验系统可在高真空环境完成月壤光热熔融凝固成型打印，并能够对打印过程进行原位观测。此外，激光功率对熔池的形成与生长动力学具有显著影响。当激光功率过低时，月壤颗粒熔化不充分，导致熔池深度低，且熔池内部气泡难以排出，从而造成大量孔隙缺陷；当激光功率过高时，熔池显著下陷，不利于逐层沉积打印。
目前，已初步完成了高真空月壤光热熔融凝固成型的试验，首次在高真空环境下实现了模拟月壤3D打印成型。通过实验，成功实现了对真空熔池生长动力学的原位观测，并获得了5 cm×5 cm×3 cm方形打印功能件（见图5 ）。此外，试验还确定了真空环境下月壤光热熔融凝固成型的工艺参数。
5 结 语
月壤光热熔融凝固成型技术采用聚焦光束对月壤粉末进行加热熔化，待其冷却凝固后成型，获得月壤打印功能件。该技术无需黏合剂或二次能源转换，可实现对原位月壤材料与太阳能的高效利用，对未来月球科研站建设和长期运行意义重大。然而，目前高真空环境下月壤熔融打印成型的可行性尚待验证。为解决这一问题，本文搭建了高真空月壤光热熔融凝固成型试验系统，并开展了真空环境月壤熔融打印的试验验证。目前，已初步完成了高真空月壤光热熔融凝固成型试验，并首次成功实现了模拟月壤3D打印成型。通过原位观测真空熔池动力学过程，获得了5 cm×5 cm×3 cm的方形打印功能件，为发展月面原位建造与制造技术奠定了实践基础。