Additive manufacturing of regolith-metal composites: process optimization and material characterization

Deep space exploration towards the Moon and beyond poses critical logistical challenges, mainly due to the high costs of mass transport from Earth. In this context, in-situ resource utilisation (ISRU) and additive manufacturing (AM) emerge as key strategies to reduce dependence on Earth-based resources. Among local materials, lunar regolith is the most abundant resource; however, its processing in pure form via laser powder bed fusion (L-PBF) has shown significant limitations due to high porosity and poor mechanical properties. This thesis studies the feasibility of producing a composite material by mixing LHS-1 lunar regolith simulant and AlSi10Mg aluminium alloy in a volumetric ratio of 50%, which was identified in order to maximise the exploitation of in situ resources. The research focused on identifying a stable process window, with volumetric energy density (VED) values between 24.7 and 44.4 J/mm^3. The experimental campaign employed optimised parameters, including a laser power between 50 and 70 W, a scan speed between 700 and 900 mm/s, a hatching distance of 0.09 mm and a powder layer thickness of 0.025 mm. Microstructural analysis, conducted using a custom segmentation algorithm based on Level Set and Otsu methods, revealed a maximum relative density of approximately 68%. The study identifies a set of optimal process parameters and confirms the potential of regolith and metal mixtures for space applications, demonstrating how the integration of a metal matrix can significantly improve density compared to the use of regolith alone.

L'esplorazione dello spazio profondo verso la Luna e oltre pone sfide logistiche critiche, principalmente a causa degli elevati costi del trasporto di massa dalla Terra. In questo contesto, l'utilizzo delle risorse in situ (ISRU) e la produzione additiva (AM) emergono come strategie chiave per ridurre la dipendenza dalle risorse terrestri. Tra i materiali locali, la regolite lunare è la risorsa più abbondante; tuttavia, la lavorazione di sola regolite tramite fusione laser a letto di polvere (L-PBF) ha mostrato notevoli limitazioni a causa dell'elevata porosità e delle scarse proprietà meccaniche. Questa tesi studia la fattibilità della produzione di un materiale composito mescolando il simulante del regolite lunare LHS-1 e la lega di alluminio AlSi10Mg in un rapporto volumetrico del 50%, identificato al fine di massimizzare lo sfruttamento delle risorse in situ. La ricerca si è concentrata sull'identificazione di una finestra di processo stabile, con valori di densità energetica volumetrica (VED) compresi tra 24,7 e 44,4 J/mm^3. La campagna sperimentale ha impiegato parametri ottimizzati, tra cui una potenza laser compresa tra 50 e 70 W, una velocità di scansione compresa tra 700 e 900 mm/s, una hatch distance di 0,09 mm e uno spessore dello strato di polvere di 0,025 mm. L'analisi microstrutturale, condotta utilizzando un algoritmo di segmentazione personalizzato basato sui metodi Level Set e Otsu, ha rivelato una densità relativa massima di circa il 68%. Lo studio identifica un set di parametri di processo ottimale e conferma la potenzialità delle miscele di regolite e metallo per le applicazioni spaziali, dimostrando come l'integrazione di una matrice metallica possa migliorare significativamente la densità rispetto all'uso della sola regolite.