2023年5月12日，我院3D打印与智能制造研究中心粤莞联合基金粤港澳研究团队项目（适应太空环境的月壤材料3D打印基础研究）课题组在Additive Manufacturing期刊（增材制造期刊，中科院JCR大类一区，IF=11.632）发表了最新的模拟月壤光固化3D打印成果：Additive manufacturing of high solid content lunar regolith simulant paste based on vat photopolymerization and the effect of water addition on paste retention properties（https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103607），项目负责人马宏伟教授、项目核心成员陈盛贵高级工程师与深圳大学陈张伟教授均为通讯作者，项目核心成员卢秉恒院士为论文提供指导并署名。
人类探索月球的梦想一直在进行中。自20世纪50年代以来，美国、苏联和中国成功地从月球上取回了珍贵的月球土壤。它使科学家们对行星的演化和宇宙的形成有了新的认识，为揭开宇宙的奥秘奠定了基础。但是由于月球上的特殊环境（如大温差和高辐射等）不适宜生存，所以有必要建设科研基地为人类进行更远的太空探索提供安全的立足点。可是从地球上运送建筑材料既困难又昂贵，因此要实现月球建设的可持续发展，更需要利用月球的本土资源。而增材制造（AM）作为一种快速成型技术，促进了月球原位资源利用（ISRU）的研究进展，并受到众多科研人员的青睐。
目前粘结剂喷射、激光熔融等多种打印技术在模拟月壤研究中的应用已经得到验证，但仍面临着机械性能低、孔隙率大、表面质量差等问题。虽然光固化打印技术已经实现了机械性能和打印精度等多维度的提高，不过由于固含量的不足，往往会导致浆料易于沉淀，储存时间短，烧结件收缩较大等问题。尽管微重力环境会在一定程度上缓解沉降，但高固含量材料在相同条件下具有更强的稳定性和更长的储存时间，可以降低再均质化的成本。此外，高固体含量材料意味着通过使用更多的月球土壤和消耗更少的外加剂，降低了地月运输树脂等材料的成本。最重要的是，高固含量材料可以使烧结零件具有更小的收缩率、更高的密度和更优的机械性能，从而更好地满足高强度零件在月球研究基地建设中的需求。
该最新成果研究解决了高固体含量模拟月壤膏料难以平衡流变特性与滞留特性的问题，并利用乳化作用机制和吉布斯吸附公式解释了该过程的基理。其次在利用微观现象解释宏观性能差异的基础上，采用应力学公式的数学微分解释了不同微观现象发生的内在原因。最终烧结件的最佳平均抗弯强度和抗压强度分别达到132.21 MPa和444.23 MPa，超过了之前报道的结果。此外，本研究也完成了一体式可活动零部件的打印。
图1 材料配置和成型原理
一、乳化作用基理
本研究中两种互不相溶溶液混合振荡形成的分散体系表面吉布斯函数很高，并且是热力学不稳定状态。在润湿分散剂加入后，其极性基团指向水，非极性基团指向树脂，从而降低了界面张力，提高了乳液的稳定性。而依据Gibbs吸附方程，界面张力越低，界面上表面活性剂吸附量越大（正反馈作用），界面上定向单分子层排列越紧密，界面膜的强度越大，乳状液越稳定，宏观显示即提高了材料的滞留特性。此外由于低分子量水溶液的存在，粘度也得到了降低。
图2 乳化作用过程
Γ是溶质在单位面积表面层的吸附量，RT是比表面压力，σ是溶液的表面张力，C是溶液的浓度。
二、应力学公式的数学微分
研究进一步比较分析了烧结件在层厚为50 μm时，三种摆放角度的显微观察下X-Y平面和Z方向上的微观结构。对于Z方向不同的层间结合现象，可以用应力学公式的数学微分来解释。在摆放角度为0°时，刮刀经过零件表面，单位面积的阻力最小，它将使得层间粘合进一步压实，更有利于紫外线固化。当摆放角度为45°时，由于不同位置单位面积的连续变化，导致制造的样件纹理不均匀，受力时容易发生应力集中。当摆放角度为90°时，单位面积应力尽管最小，但仍然是均匀状态，边缘倾斜的原因来自于刮刀运行中材料从中间挤压到两端的不充分性。
图3 不同摆放角度下的微观分析
三、成型件的机械性能及样品展示
实验结果表明，样品层厚度为50 μm、摆放角度为0°时最适合打印，平均抗弯和抗压强度达到132.21 ± 10.54 MPa和444.23 ± 52.43 MPa，超过了之前报道的结果。此外，成型件密度和开孔率分别为2.73 ± 0.02 g/cm3和3.12 ± 0.13 %。研究也成功打印了可相互配合的螺栓螺母以及一体式可活动的零部件等组件。
图4 烧结件的抗弯性能
图5 各种成型样件
四、文章总结
本研究首次采用立体光聚合（SLA）技术（法国进口陶瓷3D打印机3DCERAM-CERAMAKER900）实现了高固含量模拟月壤（LRS）膏料的打印。分析了添加水溶液对膏料性能的影响，然后从性能表征和微观角度分析了最适合的打印层厚和摆放角度，最后成功地制造了高精度多孔结构以及一体式可衔接的零部件。这份工作可以使烧结零件具有更小的收缩率、更高的致密度和更优的机械性能，从而更好地满足高强度零件在月球研究基地建设中的需求，并且为相关领域材料的配置研发提供了新思路。另外，对于如何通过结构的梯度优化以应对月球大温差、强辐射等特殊的环境仍需深入研究。
五、课题组已取得的前期成果
（1）研发模拟月壤膏料快速成型实验装置1台。该设备根据中国空间站科学实验资源手册中的材料快速成型实验装置而设计，以标准抽屉单元（SDU）为标准，采用适合外太空环境的高强度、高标准配件，保证在温差剧烈和微重力的环境下，机器运行稳定。
图6 模拟月壤膏料快速成型实验装置
（2）工艺研究部分：已实现DLP光固化3D打印工艺研究，发表SCI论文2篇，申请中国发明专利3项、实用新型专利2项。
SCI论文2篇：Vat photopolymerization of low-titanium lunar regolith simulant for optimal mechanical performance（Ceramics International，SCI一区，Q1，IF=5.532）、Optimized sintering strategy for lunar regolith simulant particles bound via vat photopolymerization（Materials Chemistry and Physics，SCI三区，Q2，IF=4.778）。
申请发明专利3项：一种基于光固化增材制造技术的模拟月壤材料打印方法、一种光固化陶瓷3D打印材料的辅料装置及其使用方法（授权）、一种用于膏料光固化3D打印装置。
授权实用新型专利2项：一种用于膏料光固化3D打印装置、一种用于陶瓷膏料光固化3D打印的柔性折叠成型缸。
第一作者简介
肖创
■东莞理工学院机械工程学院硕士研究生
研究方向为模拟月壤材料3D打印的基础研究。学业科研上，研一学年以专业综测第一获得研究生国家奖学金、学业一等奖学金；参与发表SCI论文4篇，申请相关专利7项，4项已授权。大学生竞赛上，以项目负责人身份带领团队获得第八届“互联网+”广东省省赛银奖、第十三届“挑战杯”广东省省赛铜奖、2022年广东省研究生学术论坛“粤铭激光”三等奖等荣誉，并获得东莞理工学院杨振宁奖学金。
通讯作者简介
陈盛贵
■博士，高级工程师，硕士生导师，博士后导师
■ 全国增材制造标准化技术委员会专用材料工作组委员、中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会委员、广东省3D打印标准化技术委员会委员、广东省增材制造协会技术委员会委员、中国生产力促进中心协会增材制造专业委员会特聘专家、广东省科技厅评审专家、广东省工信厅评审专家、广东省工业机器人与自动化控制工程技术研究中心主任
■主要从事陶瓷、运动康复等增材制造（3D打印）研究。承担有广东省重点领域研发计划项目、广东省重大专项及横向研究课题多项，到账科研经费800余万。发表SCI论文20余篇；授权专利80余项，其中国内外发明专利26项（第一发明人）；获中国产学研合作促进会产学研合作创新与促进奖工匠精神奖，获日内瓦国际发明展金奖1项，获澳门国际创新发明展金奖11项、银奖4项，获第二届世界发明创新论坛“发明创业奖-项目奖”银奖1项；主编及副主编教材5本；牵头起草团体标准3项、参与起草国家标准1项及团体标准9项；指导学生参加挑战杯、互联网+等竞赛获省级以上奖励20余项。
马宏伟
■教授，博士生导师，国家级特聘专家
■中国灾害防御协会首批高端智库专家、广东省“城市生命线工程智慧防灾与应急技术”重点实验室主任、“重大工程灾害与控制”教育部重点实验室副主任、中国地震局“地震监测与减灾技术”重点实验室学术委员会委员、广东省应急专家、《爆炸与冲击》与《应用力学学报》杂志编委、中国力学学会理事、中国力学学会教育工作委员会副主任委员、教育部力学专业教学指导委员会委员等。
■长期从事城市生命线工程防灾减灾的研究、结构损伤检测和动力学研究等。曾主持国家重点研发计划子项目1项，国家自然科学基金项目3项，国家青年自然科学基金和霍英东全国高等院校青年教师研究基金项目各1项，参加国家自然科学基金重点项目1项。现主持国家重点研发计划项目1项。承担省部级科研重点重大项目和一般项目10余项。共发表著作3部,论文150余篇，三大索引收录的高水平论文90余篇，已授权发明专利10余项。曾获山西省科技进步理论成果一等奖、山西省科技进步理论成果二等奖(2000年)、广东省科技进步二等奖(2012年，2021年)。
陈张伟
■教授，博士生导师，广东省特支计划高层次人才
■深圳大学增材制造研究所所长、深圳大学优秀学者、增材制造方向带头人、广东省高校优秀青年创新人才、连续两年入选美国斯坦福大学与Elsevier联合发布的全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单(2020/2021)、2022年入选国际先进材料学会会士(FIAAM)。2007年起在国内较早开展光固化增材制造研究。博士与博士后曾师从帝国理工学院权威学者美国国家工程院院士N. Brandon教授。
■发表高水平论文110余篇，其中以第一或通讯作者在Progress in Materials Science (IF=48.17一区TOP)、Nano Energy (IF=19.07一区TOP)、Renewable & Sustainable Energy Reviews (IF=16.80一区TOP)、Additive Manufacturing (9篇、IF=11.63一区TOP)、Journal of Advanced Ceramics (5篇、IF=11.53一区TOP)、Virtual and Physical Prototyping (IF=10.96一区TOP)、Journal of the European Ceramic Society (IF=6.36一区TOP)、Ceramics International (IF=5.53一区TOP)、《机械工程学报》、《无机材料学报》(IF=1.29)、《硅酸盐学报》等涵盖增材制造和材料领域的权威期刊累计发表论文近80篇(其中50余篇中科院大一区、17篇IF>10)，近5年被美国国家工程院院士、中国科学院院士、世界陶瓷学院院士等国内外权威学者及Nature和Science子刊、Advanced Materials等系列权威期刊引用逾3300次，单篇最高SCI他引近700次，共入选ESI高被引论文3篇、热点论文3篇。申请发明专利25项，授权7项。成果亦被《科技日报》、《新华网》、《人民网》、《环球网》等主流媒体长篇专访报道与转载，以及3DPRINT、3D Printing Industry等外文媒体长文报道。
（责任编辑：黄文晶 撰稿：肖创 一审：李昕 二审：黄文晶 三审：黎煜新）
