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Mar 12, 2024

Attrezzatura da laboratorio stampata in 3D per misurare materiali sfusi in condizioni estreme

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 17331 (2022) Cita questo articolo 1703 Accessi 1 Citazioni 12 Dettagli metriche altmetriche A causa di soluzioni relativamente nuove nel campo della stampa 3D, ci

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17331 (2022) Citare questo articolo

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A causa delle soluzioni relativamente nuove nel campo della stampa 3D, ci sono pochi studi sulla possibilità di utilizzare elementi stampati nei dispositivi di misurazione. Lo scopo di questo studio era di indagare la possibilità di utilizzare strumenti realizzati con il metodo di stampa 3D per estrusione di materiale per la misurazione di proprietà meccanico-fisiche selezionate di materiali sfusi. Lo studio esplora la fattibilità della misurazione delle proprietà meccanico-fisiche dei materiali sfusi quando nella pratica comune sussistono ostacoli alla stampa di strumenti di misura originali o modificati. Per raggiungere gli obiettivi sono stati eseguiti una serie di esperimenti come i test di taglio anulare di Schulze, i test di taglio FT4 di Freeman, i test di compressibilità e i test di portata e stabilità con l'uso di strumenti originali in alluminio o acciaio e strumenti stampati in 3D da acido polilattico e stirene acrilico materiali di acrilonitrile, utilizzando i simulanti della regolite lunare LHS-1 e LMS-1 prodotti da CLASS Exolith Lab come materiale campione. Sono stati poi confrontati i risultati ottenuti dalle prove con strumenti originali e stampati. I valori confrontati dei test hanno mostrato l’applicabilità degli strumenti di misura stampati in 3D in un intervallo di deviazione di misurazione del 5%. I maggiori vantaggi degli strumenti di misura stampati in 3D sono stati il ​​peso inferiore, la possibilità di stampare sul posto, di sostituire una parte danneggiata con una nuova parte stampata in 3D su richiesta se sono necessari risultati estremamente rapidi o a causa di indisponibilità logistica, personalizzazione dei test standardizzati per comprendere meglio il comportamento dei materiali particolati e costi di produzione più bassi.

Negli ultimi decenni scienziati e ingegneri hanno compiuto uno sviluppo significativo nelle missioni di esplorazione dei pianeti e dei corpi celesti e hanno acquisito conoscenze sulle loro risorse e proprietà. Tuttavia, oltre a raggiungere i pianeti, atterrare sani e salvi nell'universo si rivela ancora un'impresa ardua. Per cambiare questa situazione, le risorse geologiche, l’atmosfera e i dati sulle radiazioni vengono raccolti da lander e rover, necessari per verificare le misurazioni effettuate dalle sonde dall’orbita. Lander e rover dotati di bracci dell'escavatore estraggono rocce e polvere per l'analisi delle proprietà dei materiali1. L’obiettivo è raccogliere dati e preparare strategie per costruire siti di atterraggio e habitat di protezione dalle radiazioni e sviluppare costruzioni adeguate, come infrastrutture, fabbriche e laboratori, prima dell’arrivo degli astronauti.

Per estendere e facilitare tali missioni esplorative sono necessari due concetti in situ2,3. In primo luogo, si tratta di apparecchiature e infrastrutture per la fabbricazione e riparazione in situ (ISFR). In secondo luogo, si tratta dell'utilizzo delle risorse in situ (ISRU). Di conseguenza, le risorse per la fabbricazione lunare in situ sono state studiate intensamente negli ultimi dieci anni e sono state proposte diverse tecnologie4,5,6,7. Per simulare i materiali di altri pianeti vengono utilizzati prodotti a base ceramica, come la regolite lunare1, che è sabbia molto fine8. In ambiente terrestre sono stati sviluppati simulanti di regolite lunare con proprietà meccanico-fisiche9 simili, come LHT-1 M3, NU-LHT7 o JSC-1A10. Tuttavia, a causa del diverso ambiente fisico, le proprietà dei materiali e il comportamento su altri corpi celesti differiscono da quelli sulla Terra. Il comportamento delle regoliti reali differisce in base all'angolo linearizzato di attrito interno (LAIF, ϕ), all'angolo effettivo di attrito interno (EAIF, δ), alla funzione di flusso (ffc), alla coesione c e alla comprimibilità, a seconda dell'ambiente in cui vengono misurate le regoliti , luogo di scavo della regolite, ambiente di origine della regolite e ambiente di trasformazione della regolite. La composizione delle regoliti varia da luogo a luogo a causa della variabilità nelle collisioni di asteroidi e degli agenti atmosferici dovuti al vento o all'acqua. Pertanto, sarà cruciale essere in grado di misurare le proprietà meccanico-fisiche delle regoliti in situ e delle risorse materiali sfuse durante le missioni esplorative11.