Lunar-based manufacturing: investigation of regolith simulant in laser powder bed fusion with in-situ process monitoring

With the announcement of the Artemis program, NASA revealed its vision for advancing lunar exploration, with the purpose of establishing a sustainable human presence on the Moon. This ambitious scope requires the creation of habitable outposts, presenting many challenges in using in-situ resources as construction materials. Additive manufacturing shows significant potential for the achievement of this objective. Among the various technologies, Laser Powder Bed Fusion (LPBF) stands out as an excellent candidate due to its ability to produce complex geometries without requiring additional materials such as binder or resin to be launched from Earth. Previous studies have demonstrated the feasibility of using LPBF with lunar regolith. This thesis takes a deeper investigation into how process parameters affect the final part quality, in terms of type of defects, and solidification mechanism. An innovation of this work was the integration of a monitoring system into the process to detect specimens’ cooling curve layer by layer. This tool enabled the identification of continuous heat accumulation, due to the poor thermal conductivity of the ceramic material, which limits the optimization of process parameters applicable to the entire specimen. Based on these findings, a control strategy was proposed, introducing a time delay between each layer to mitigate this issue.

Con l'annuncio del programma Artemis, la NASA ha delineato la sua visione per l'avanzamento dell'esplorazione lunare, con l'obiettivo di stabilire una presenza umana sostenibile sulla Luna. Questo obiettivo ambizioso include la necessità di realizzare basi abitabili, presentando molte sfide nell'utilizzo delle risorse in-situ come materiali da costruzione. La manifattura additiva si dimostra una soluzione promettente per il conseguimento di questo obiettivo. Tra le varie tecnologie, la fusione a letto di polvere si presenta come un candidato eccellente grazie alla sua capacità di produrre geometrie complesse senza richiedere materiali aggiuntivi, come leganti o resina, da dover portare da Terra. Studi precedenti hanno dimostrato la fattibilità dell'uso della fusione a letto di polvere con la regolite lunare. Questa tesi, invece, approfondisce come le variazioni dei parametri di processo influenzano il risultato finale, quantificando questi effetti tramite caratterizzazione ex-situ. Un'innovazione di questa ricerca è stata l'integrazione di un sistema di monitoraggio durante il processo per rilevare la curva di raffreddamento dei campioni strato per strato. Questo strumento ha permesso l'identificazione di un continuo accumulo di calore, dovuto alla scarsa conducibilità termica del materiale ceramico, il quale ha ostacolato l'ottimizzazione dei parametri di processo applicabili all'intero campione. Sulla base di questi risultati, è stata proposta una strategia di controllo, introducendo un intervallo temporale tra ogni strato per mitigare questo problema.