On line thermal monitoring for lunar in situ resource utilization in LPBF manufacturing

The perspective of In Situ Resource Utilization (ISRU) offers unprecedented opportunities for space exploration, relying heavily on the Additive Manufacturing (AM) of lunar regolith to build extraterrestrial infrastructure. However, processing ceramic-like materials, like the regolith powder, via Laser Powder Bed Fusion (LPBF) presents severe manufacturing challenges: due to their extremely low thermal conductivity they suffer from critical heat accumulation and from delamination during the printing process, all causes of severe structural defects. To address these limitations, this thesis develops a robust in situ thermal monitoring framework to assess the physical integrity of the manufactured parts in real-time, providing immediate insights to potentially correct the process and establishing a foundation to understand how in-process anomalies affect the final structural properties. By extracting the Time Above Threshold (TAT) from IR thermal video in specific regions of the samples, the research highlights two major findings. First, analyzing a Lunar Mare Simulant (LMS)-1 component, the study successfully decoupled the geometrical and operational contributions to the localized thermal history demonstrating a direct correlation between the TAT and the cooling rate, proving that part size, build height, and scan order are related to heat accumulation. Second, through an experimental campaign on AlSi10Mg and Lunar Highland Simulant (LHS)-1 powder mixture, the study validated the diagnostic power of the framework by statistically analyzing the spatial and temporal variance of the cooling gradient. A stability threshold was identified, effectively distinguishing between stable substrate adhesion and in-process part detachment. Ultimately, this work proves that in situ thermal monitoring is a crucial diagnostic enabler for the manufacturing of complex materials, bringing AM lunar made components one step closer to reality.

La prospettiva dell’In Situ Resource Utilization (ISRU) offre opportunità senza precedenti per l’esplorazione spaziale, basandosi in larga misura sulle tecnologie Additive Manufacturing (AM), sfruttando regolite lunare per costruire infrastrutture extraterrestri. Tuttavia, la lavorazione di materiali simili alla ceramica, come la regolite, tramite macchine LPBF presenta gravi difficoltà di produzione: a causa della loro conduttività termica estremamente bassa soffrono di un accumulo di calore e di delaminazione durante il processo di stampa, entrambe cause di gravi difetti strutturali. Per ovviare a queste limitazioni, questa tesi sviluppa un solido quadro di monitoraggio termico in tempo reale per valutare l’integrità fisica dei pezzi prodotti, fornendo informazioni immediate per, potenzialmente, correggere il processo e gettando le basi per la comprensione delle anomalie e della loro influenza sulle proprietà meccaniche finali. Estraendo il Time Above Threshold (TAT) dai dati termici in specifiche regioni dei campioni, l’analisi ha rivelato dei dettagli fondamentali. In primo luogo, analizzando un campione realizzato in Lunar Mare Simulant (LMS)-1, lo studio ha separato con successo l’effetto delle proprietà geometriche e della strategia di scansione sulla storia termica della singola regione, ottenendo una correlazione diretta tra il TAT e la velocità di raffreddamento, dimostrando che le dimensioni, l’altezza e l’ordine di scansione sono correlati all’accumulo di calore. In secondo luogo, attraverso una campagna sperimentale sul mix di polveri AlSi10Mg e Lunar Highland Simulant (LHS)-1, lo studio ha convalidato la capacità diagnostica del monitoraggio, analizzando statisticamente il gradiente spaziale e temporale della curva di raffreddamento. È stata identificata una soglia di stabilità, distinguendo efficacemente tra adesione stabile del substrato e distacco del pezzo durante il processo produttivo. In definitiva, questo lavoro dimostra che il monitoraggio termico in situ è un fattore diagnostico cruciale per realizzazione di oggetti con materiali complessi, avvicinando sempre di più alla realtà la realizzazione di elementi in materiali lunari con tecniche AM.