Vat photopolymerization based additive manufacturing of lunar regolith ceramics for functional ISRU applications

This doctoral research presents a comprehensive framework for enabling on-demand manufacturing of high-performance ceramic components on the Moon using in-situ mined lunar regolith. The study addresses one of the central challenges in lunar In-Situ Resource Utilization (ISRU): the extreme heterogeneity and mineralogical complexity of lunar soil, which complicates both additive manufacturing (AM) processes and high-temperature sintering. Among various AM methods, stereolithography-based Digital Light Processing (DLP) has been identified as the most promising technique for fabricating precise, high-strength ceramic parts within controlled environments on a lunar base. To make DLP printing compatible with lunar regolith, a multi-stage optimization strategy was implemented. This included ball milling, magnetic beneficiation, and tuning of photopolymerization characteristics. A critical research objective was to identify the optimal balance between UV curability and the sinterability of regolith-loaded slurries. This balance was achieved by milling the lunar highland regolith to a d₅₀ particle size of 1.3–1.5 μm, which addressed the competing needs for deep UV penetration and high densification. A key breakthrough in this work was the introduction of preliminary magnetic beneficiation (MB) to selectively remove iron- and titanium-rich basaltic phases from the highland regolith. This process produced a non-magnetic fraction (NM) enriched in anorthite. This simple, low-energy separation drastically improved UV curing performance; compared to unrefined lunar highland simulant (LHS), the cured layer thickness increased from 20 μm to 160 μm, and the critical energy dose required for polymerization dropped by 9.6 times. This improvement allowed for ten times faster printing and the use of thicker layers. DLP-printed green parts were thermally processed at sintering temperatures ranging from 1100 to 1300 °C. The peak mechanical performance was observed at 1250 °C. NM-based green parts, which contained 70 wt.% regolith simulant and were sintered at 1250 °C, achieved 96% of theoretical density, with compressive strengths of up to 585 MPa and flexural strength of 143 MPa. Print resolution was optimized by adjusting the layer height: increasing it from 20 μm to 70 μm reduced the total print time by a factor of 3.5, with only a 7% reduction in flexural strength. A heating rate of 1–2 °C/min and a 4-hour dwell time at peak temperature were found to be optimal for minimizing energy usage while preserving structural integrity, which reduced total heat-treatment energy consumption from 173.8 kWh to 64.5 kWh per print cycle. These findings establish the viability of vat photopolymerization additive manufacturing (AM) with magnetically beneficiated regolith as a feasible in-situ resource utilization (ISRU) method for producing robust ceramic components under lunar conditions. The proposed process chain supports the fabrication of essential small-scale parts, such as heat shields, filters, and optical supports, directly from lunar resources. An additional application explored in this study was the use of DLP-printed regolith ceramics as shell molds for aluminum casting. Complex mold geometries were successfully printed and sintered from the NM fraction of highland regolith simulant. Aluminum casting trials demonstrated excellent mold filling, dimensional accuracy, and minimal surface defects, with the ultimate tensile strength of cast aluminum reaching 192 MPa, approaching the performance of commercial casts. This confirms the viability of regolith-based ceramics not only as structural elements but also as high-temperature tooling materials for in-situ metal fabrication. In summary, this work validates a modular, resource-efficient process chain that leverages magnetic beneficiation, slurry optimization, and DLP printing to transform lunar regolith into mechanically robust ceramic and metallic components. These advancements contribute directly to the development of energy-efficient, resource-conscious manufacturing systems that support sustained human operations on the Moon.

Questa ricerca di dottorato presenta un quadro metodologico completo per abilitare la produzione su richiesta di componenti ceramici ad alte prestazioni sulla Luna, utilizzando regolite lunare estratta in situ. Lo studio affronta una delle principali sfide legate all’In-Situ Resource Utilization (ISRU) lunare: l’estrema eterogeneità e complessità mineralogica del suolo lunare, che rende difficoltosi sia i processi di additive manufacturing (AM) sia la sinterizzazione ad alte temperature. Tra i diversi metodi di AM, la stereolitografia basata su Digital Light Processing (DLP) è stata identificata come la tecnica più promettente per la fabbricazione di parti ceramiche precise e ad alta resistenza in ambienti controllati su una base lunare. Per rendere la stampa DLP compatibile con la regolite lunare, è stata implementata una strategia di ottimizzazione multi-stadio, comprendente macinazione a sfere, arricchimento magnetico e messa a punto delle caratteristiche di fotopolimerizzazione. Un obiettivo cruciale della ricerca è stato individuare il giusto equilibrio tra curabilità UV e sinterizzabilità delle sospensioni contenenti regolite. Tale equilibrio è stato raggiunto macinando la regolite delle regioni lunari alte fino a una dimensione media delle particelle (d₅₀) di 1,3–1,5 μm, risolvendo così le esigenze contrastanti di penetrazione profonda dei raggi UV e di elevata densificazione. n risultato di particolare rilievo è stata l’introduzione di un arricchimento magnetico preliminare (MB) per rimuovere selettivamente le fasi basaltiche ricche in ferro e titanio dalla regolite delle highlands. Questo processo ha prodotto una frazione non magnetica (NM), arricchita in anortite. Tale separazione, semplice e a basso consumo energetico, ha migliorato drasticamente le prestazioni di fotopolimerizzazione UV: rispetto al simulante non trattato (LHS), lo spessore dello strato polimerizzato è aumentato da 20 μm a 160 μm, mentre la dose energetica critica richiesta per la polimerizzazione si è ridotta di 9,6 volte. Questo miglioramento ha consentito una velocità di stampa dieci volte superiore e l’impiego di strati più spessi. I provini verdi stampati in DLP sono stati sottoposti a trattamenti termici con temperature di sinterizzazione comprese tra 1100 e 1300 °C. Le migliori prestazioni meccaniche sono state ottenute a 1250 °C. I campioni NM, contenenti il 70% in peso di simulante di regolite e sinterizzati a 1250 °C, hanno raggiunto il 96% della densità teorica, con resistenze a compressione fino a 585 MPa e a flessione di 143 MPa. La risoluzione di stampa è stata ottimizzata variando l’altezza degli strati: l’aumento da 20 μm a 70 μm ha ridotto il tempo di stampa di un fattore 3,5, con una diminuzione della resistenza a flessione di soli 7%. Una velocità di riscaldamento di 1–2 °C/min e una permanenza di 4 ore alla temperatura massima si sono rivelate ottimali per minimizzare il consumo energetico, preservando al contempo l’integrità strutturale, con una riduzione dell’energia totale di trattamento termico da 173,8 kWh a 64,5 kWh per ciclo di stampa. Questi risultati dimostrano la fattibilità della produzione additiva per fotopolimerizzazione in vasca (vat photopolymerization AM) con regolite arricchita magneticamente, quale metodo ISRU praticabile per la fabbricazione di componenti ceramici resistenti in condizioni lunari. La catena di processo proposta consente la realizzazione di parti essenziali di piccola scala, quali scudi termici, filtri e supporti ottici, direttamente dalle risorse lunari. Un’ulteriore applicazione esplorata nello studio riguarda l’impiego delle ceramiche di regolite stampate in DLP come gusci per colata di alluminio. Geometrie complesse di stampi sono state stampate e sinterizzate con successo a partire dalla frazione NM della regolite delle highlands. Le prove di colata in alluminio hanno dimostrato un eccellente riempimento degli stampi, un’elevata accuratezza dimensionale e difetti superficiali minimi, con una resistenza a trazione ultima dell’alluminio colato pari a 192 MPa, vicina a quella dei getti commerciali. Ciò conferma la validità delle ceramiche derivate dalla regolite non solo come elementi strutturali, ma anche come materiali da attrezzaggio ad alta temperatura per la fabbricazione in situ di componenti metallici. In sintesi, questo lavoro convalida una catena di processo modulare ed efficiente nell’uso delle risorse, che integra arricchimento magnetico, ottimizzazione delle sospensioni e stampa DLP, trasformando la regolite lunare in componenti ceramici e metallici meccanicamente robusti. Questi progressi contribuiscono direttamente allo sviluppo di sistemi di produzione energeticamente efficienti e orientati alla valorizzazione delle risorse, a sostegno di operazioni umane prolungate sulla Luna.