Matériel de laboratoire imprimé en 3D pour mesurer des matériaux en vrac dans des conditions extrêmes

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17331 (2022) Citer cet article

1552 accès

12 Altmétrique

Détails des métriques

En raison de solutions relativement nouvelles dans le domaine de l'impression 3D, il existe peu d'études sur la possibilité d'utiliser des éléments imprimés dans des appareils de mesure. Le but de cette étude était d'étudier la possibilité d'utiliser des instruments fabriqués par la méthode d'impression 3D par extrusion de matériaux pour la mesure de propriétés mécaniques et physiques sélectionnées de matériaux en vrac. L'étude explore la faisabilité de mesurer les propriétés mécaniques et physiques des matériaux en vrac lorsqu'il existe des obstacles à l'impression d'instruments de mesure originaux ou modifiés dans la pratique courante. Pour atteindre les objectifs, une série d'expériences telles que les tests de cisaillement annulaire de Schulze, les tests de cisaillement FT4 de Freeman, les tests de compressibilité et les tests de débit et de stabilité ont été réalisées avec l'utilisation d'instruments originaux en aluminium ou en acier et d'instruments imprimés en 3D à partir d'acide polylactique et de styrène acrylique. matériaux d'acrylonitrile, utilisant des simulants de régolithe lunaire LHS-1 et LMS-1 produits par CLASS Exolith Lab comme matériau d'échantillon. Les résultats obtenus à partir de tests avec des instruments originaux et imprimés ont ensuite été comparés. Les valeurs comparées des tests ont montré l'applicabilité des instruments de mesure imprimés en 3D dans une plage d'écart de mesure de 5 %. Les principaux avantages des instruments de mesure imprimés en 3D étaient le poids réduit, la possibilité d'imprimer sur place, de remplacer une pièce endommagée par une nouvelle pièce imprimée en 3D à la demande si des résultats extrêmement rapides sont nécessaires ou en raison de l'indisponibilité logistique, de la personnalisation des tests standardisés pour mieux comprendre le comportement des matériaux particulaires, et des coûts de fabrication moins élevés.

Les scientifiques et les ingénieurs ont réalisé un développement significatif dans les missions d'exploration des planètes et des corps célestes au cours des dernières décennies et ont acquis des connaissances sur leurs ressources et leurs propriétés. Cependant, en plus d'atteindre les planètes, atterrir en toute sécurité dans l'univers s'avère toujours une tâche difficile. Pour changer cela, les ressources géologiques, l'atmosphère et les données de rayonnement sont collectées par des atterrisseurs et des rovers, qui sont tenus de vérifier les mesures par des sondes depuis l'orbite. Les atterrisseurs et les rovers équipés de flèches de pelle extraient les roches et la poussière pour l'analyse des propriétés des matériaux1. L'objectif est de collecter des données et de préparer des stratégies pour construire des sites d'atterrissage et des habitats de protection contre les rayonnements, et de développer des constructions appropriées, telles que des infrastructures, des usines et des laboratoires, avant l'arrivée des astronautes.

Pour prolonger et faciliter de telles missions d'exploration, deux concepts in situ sont nécessaires2,3. Premièrement, il s'agit d'équipements et d'infrastructures de fabrication et de réparation in situ (ISFR). Deuxièmement, c'est l'utilisation des ressources in situ (ISRU). En conséquence, les ressources pour la fabrication lunaire in situ ont été intensément étudiées au cours de la dernière décennie et plusieurs technologies ont été proposées4,5,6,7. Pour simuler des matériaux sur d'autres planètes, des produits à base de céramique sont utilisés, comme le régolithe lunaire1, qui est du sable très fin8. En environnement terrestre, des simulateurs de régolithes lunaires aux propriétés mécaniques et physiques similaires9 ont été développés, tels que LHT-1 M3, NU-LHT7 ou JSC-1A10. Cependant, en raison d'un environnement physique différent, les propriétés matérielles et le comportement des autres corps célestes diffèrent de la Terre. Le comportement des régolithes réels diffère en fonction de l'angle linéarisé de frottement interne (LAIF, ϕ), de l'angle effectif de frottement interne (EAIF, δ), de la fonction d'écoulement (ffc), de la cohésion c et de la compressibilité, en fonction de l'environnement dans lequel les régolithes sont mesurés. , lieu de fouille du régolithe, milieu d'origine du régolithe et milieu de transformation du régolithe. La composition des régolithes varie d'un endroit à l'autre en raison de la variabilité des collisions d'astéroïdes et de l'altération par le vent ou l'eau. Par conséquent, il sera crucial de pouvoir mesurer les propriétés mécano-physiques des régolithes in situ et des ressources en matériaux en vrac au cours des missions d'exploration11.

Étant donné que le transport de tout équipement depuis la Terre est très coûteux, il faut actuellement des années pour mettre les pièces de rechange en orbite. Ce problème a été partiellement surmonté par la technologie de modélisation des dépôts fusionnés (FDM, marque déposée par Stratatys) modifiée pour la microgravité12. Le FDM est un type de fabrication additive (AM), où une géométrie 3D est construite par des couches superposées de filament thermoplastique extrudé13. La technologie FDM modifiée par les projets Made in Space14,15 explore la possibilité de créer des outils16 dont les astronautes ont actuellement besoin pour des réparations ou des travaux. Le FDM permet l'utilisation d'une large gamme de thermoplastiques13 qui sont légers mais durables et peuvent supporter une certaine charge mécanique lorsqu'ils sont conçus correctement. L'impression FDM est également très précise et la plupart de ses avantages sont dus à la chambre d'impression fermée qui permet de maintenir la température interne (buse-air-lit chauffant). Cela conduit à de meilleures propriétés mécaniques, où l'adhérence entre les couches est renforcée et le gauchissement et le gondolage des pièces imprimées sont évités16. Cependant, la technologie est très coûteuse et n'est pas largement disponible pour la recherche. L'extension de la capacité et des options d'impression de pièces à la demande en orbite ou lors de missions d'exploration réduira le temps nécessaire pour mettre les pièces en orbite, réduira les coûts de mission, réduira le besoin d'avoir chaque outil et pièce à bord, tout en augmentant la fiabilité et sécurité des missions spatiales.

Malgré les développements dans le domaine de l'impression 3D, on manque d'études sur l'utilisation d'éléments imprimés dans des appareils de mesure et/ou des appareils destinés à mesurer des matériaux en vrac. Traciak et al.17 ont développé un dispositif imprimé en 3D pour mesurer la tension superficielle des nanofluides et ont montré que le résultat de la mesure est comparable aux dispositifs commerciaux. Bernard et Mendez18 ont présenté un polarimètre peu coûteux à utiliser par les étudiants pendant les cours. L'étude19 a décrit le comportement dynamique des capteurs de contrainte imprimés en 3D intégrés dans des structures et a soutenu l'affirmation selon laquelle les capteurs imprimés en 3D pourraient être utilisés pour la mesure dynamique. L'étude20 a rapporté la conception d'un système interférométrique compact imprimé en 3D pour les téléphones portables afin de mesurer de petits angles. Toutes ces études montrent un fort potentiel des dispositifs d'impression 3D et le manque d'orientations spécifiques pour la fabrication d'équipements de mesure.

Afin de combler le vide dans ce domaine, le but de cette étude était d'étudier la possibilité d'utiliser des instruments de mesure fabriqués par la méthode d'impression 3D par extrusion de matériaux pour la mesure de propriétés mécaniques et physiques sélectionnées de matériaux en vrac. En raison du caractère inabordable de la technologie d'impression 3D FDM et des problèmes connexes tels que le test des effets des environnements à rayonnement élevé sur les outils de mesure imprimés, la technologie d'impression 3D de fabrication de filaments fondus (FFF) a été utilisée dans cette étude. Cet article présente ainsi une étude de faisabilité de la mesure des propriétés mécano-physiques des matériaux en vrac à l'aide d'instruments imprimés en 3D, si les raisons de le faire se présentent. Lu et al.21, Li et al.22 et Pelech et al.23 ont montré pourquoi il est important de mesurer les propriétés mécaniques et physiques importantes des simulants de régolithe lunaire. De plus, l'utilisation d'instruments imprimés en 3D pour mesurer les propriétés mécaniques et physiques normalisées des matériaux particulaires n'a pas fait l'objet de recherches. Ces raisons d'imprimer des instruments de mesure originaux ou modifiés se rencontrent également sur Terre, comme la nécessité d'un poids inférieur des instruments de mesure, la possibilité de pré-imprimer un ensemble d'instruments de mesure de laboratoire ou d'imprimer l'ensemble sur place, de remplacer une pièce endommagée par une nouvelle pièce imprimée en 3D à la demande, l'indisponibilité logistique, la personnalisation des tests standardisés pour une meilleure compréhension du comportement des matériaux particulaires, et un coût de fabrication moins cher. Les instruments imprimés en 3D sont préférés lorsque la polyvalence des instruments, leur légèreté et/ou un résultat rapide dans les endroits extrêmes sont nécessaires. Si les conditions sont de laboratoire et que le matériau particulaire mesuré ne présente pas de propriétés inhabituelles nécessitant des outils de mesure personnalisés, des tests standardisés doivent être effectués.

En supposant que les instruments de mesure soient utilisés pour une mission d'exploration, des échantillons de simulant de régolithe ont également été testés. Les mesures des propriétés mécaniques et physiques telles que EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, cohésion c, compressibilité, énergie de fluidité de base BFE, indice de stabilité SI et indice de débit FRI pour les simulants de régolithe lunaire : simulant de jument lunaire ( LMS-1) et le simulant des hautes terres lunaires (LHS-1) du CLASS Exolith Lab à Orlando, aux États-Unis, sont présentés. EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c et la compressibilité sont des caractéristiques fondamentales du flux de matériaux en vrac, qui sont utilisées pour concevoir des équipements de stockage, de manutention et de traitement. Dans un premier temps, deux poudres de régolithe lunaire ont été caractérisées par les distributions granulométriques et leur morphologie. Deuxièmement, une comparaison des résultats a été effectuée entre des instruments de mesure standard et des instruments imprimés en 3D à partir de matériaux d'acide polylactique et d'acrylonitrile de styrène acrylique. Les valeurs de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c, compressibilité, SI, FRI et BFE ont été comparées. Les résultats présentés dans cet article ont montré une répétabilité et une précision similaire pour les méthodes de test du test de cisaillement annulaire de Schulze, du test de cisaillement FT4 de Freeman, du test standard de compressibilité FT4 de Freeman et du test standard de débit et de stabilité FT4 de Freeman. Cela a montré l'applicabilité des instruments imprimés en 3D pour les méthodes de test dans un environnement difficilement accessible ou extraterrestre.

Les matériels et méthodes concernent deux domaines. Le premier domaine concerne les matériaux et les méthodes liés aux instruments de mesure imprimés fabriqués via la fabrication de filaments fondus. Le deuxième domaine d'intérêt est le matériau en vrac (régolithe) utilisé pour tester les instruments de mesure produits. La sous-section Tests de matériaux en vrac décrit tous les tests liés à l'examen des performances des instruments de mesure imprimés en 3D, des instruments de mesure imprimés en 3D en combinaison avec des composants en acier inoxydable d'origine et des instruments en acier inoxydable d'origine.

Les instruments de mesure ont été imprimés par la technologie d'impression 3D de fabrication de filaments fondus (FFF) sur une imprimante Prusa i3 MKS3 (Praha, République tchèque), illustrée à la figure 1a. Des filaments PLA et ASA fabriqués par Prusament ont été utilisés. Le filament ASA est le successeur du filament ABS avec des propriétés supérieures, telles que la stabilité aux UV, la résistance élevée aux chocs, la résistance à l'usure et une imprimabilité plus facile pour la méthode d'impression FFF24.

(a) Imprimante Prusa i3 MKS3 avec la lame et le vaisseau imprimés en 3D de FT4 ; (b) Cellule de cisaillement de taille S de Schulze avec couvercle (de haut en bas - aluminium, CAO 3D par Autodesk Inventor 2021, imprimé en 3D); ( c ) Cellule de cisaillement de Schulze tranchée dans PrusaSlicer version 2.3.0. Cette figure a été créée dans Gimp 2.10.32.

L'imprimante Prusa i3 MKS3 utilise des machines à commande numérique à code G, ce qui permet aux utilisateurs de fournir des instructions indiquant aux moteurs où se déplacer, à quelle vitesse se déplacer, quel chemin suivre et à quelle vitesse alimenter le filament. Avant de créer le code G, un modèle CAO 3D de l'original est créé et peut être imprimé en 3D, comme illustré à la figure 1b. Les codes G des impressions ont été tranchés dans PrusaSlicer version 2.3.0 avec une hauteur de couche de 0,20 mm, comme illustré à la figure 1c. Le remplissage pour toutes les pièces avait des remplissages différents qui sont présentés dans cette section. Le motif de remplissage a été choisi comme gyroïde à l'exception du remplissage à 100%, qui est forcé d'être rectiligne. Les instruments PLA ont été imprimés à une température d'extrusion de 210 °C et une température de lit de 60 °C. Les instruments ASA ont été imprimés à une température d'extrusion de 260 °C et 110 °C.

Pour les tests RST-01.pc (RST) de Schulze, nous avons utilisé un ensemble de cellule de cisaillement et de couvercle de différents matériaux (aluminium d'origine, imprimé PLA, imprimé ASA). Les tests RST sont décrits dans la sous-section suivante Tests de matériaux en vrac.

Pour les tests Freeman's Flow Tester 4 (FT4), nous avons utilisé un récipient d'échantillon de mesure de 85 ml comme assemblage de pièces qui contiendront la poudre d'échantillon pendant les mesures. Les récipients et instruments d'échantillons imprimés en 3D ont été imprimés à partir de filaments PLA et ASA. Ces instruments imprimés ont nécessité des modifications de conception pour résister aux charges mécaniques. Les récipients imprimés étaient soit tous imprimés, soit partiellement imprimés en 3D et comprenaient également des composants originaux, tels qu'un piston de compression et une lame fabriqués en acier inoxydable. Dans l'ensemble, nous avons utilisé un ensemble de spécimens (acier inoxydable d'origine, imprimé PLA, imprimé ASA) et leurs combinaisons (récipient d'origine avec une lame en PLA, récipient d'origine avec une lame en ASA, récipient en PLA avec une lame d'origine et récipient en ASA avec un original lame). Les tests FT4 sont décrits dans la sous-section suivante Tests de matériaux en vrac.

La technologie d'impression 3D de fabrication de filaments fondus (FFF) crée des pièces couche par couche. Une conséquence de la stratification est la présence de pores et d'hétérogénéités qui provoquent un comportement anisotrope et une orientation préférentielle des fissures25. La résistance des pièces aux dommages mécaniques dépend de l'orientation des couches déposées26,27,28. Ainsi, l'orientation des pièces sur le lit de l'imprimante 3D est une considération importante lors de la fabrication des composants29,30,31. L'orientation des instruments de mesure a été choisie en conséquence, comme indiqué sur la figure 2., et les modifications de conception ont été apportées aux instruments de mesure pour éviter les dommages dus au chargement mécanique. La figure 2 est illustrative pour montrer la superposition des pièces de bas en haut et l'image ne montre pas le matériau de support, l'interface du matériau de support, la jupe, le remplissage de pont et le périmètre en porte-à-faux. Les couches sont empilées de bas en haut. La figure 2a montre la petite cellule annulaire, le couvercle et les broches d'entraînement de Schulze. La figure 2b montre la superposition de la partie inférieure, de la partie supérieure et de l'entonnoir du FT4. La figure 2c montre la superposition de l'arbre du FT4 avec l'écrou, la tête de cisaillement, la lame et le piston ventilé.

(a) La superposition de la petite cellule annulaire de Schulze (taille S), du couvercle et des broches d'entraînement ; (b) la superposition de la partie inférieure, de la partie supérieure et de l'entonnoir du FT4 ; (c) la superposition de l'arbre du FT4 avec l'écrou, la tête de cisaillement, la lame et le piston ventilé. La superposition a été générée par PrusaSlicer version 2.3.0. Cette figure a été créée dans Gimp 2.10.32.

La petite cellule annulaire de Schulze (taille S) 32 a été imprimée avec une plaque inférieure en une seule pièce. Trois broches avec ajustement serré ont été imprimées séparément pour faire tourner la cellule par essieu moteur. Le couvercle de Schulze assorti à la petite cellule annulaire a été imprimé en une seule pièce. Les barres de cisaillement32 ont été épaissies de 1 à 2 mm et aucune vis n'a été utilisée. La conception de l'original, la modélisation 3D et la cellule de cisaillement fabriquée en PLA avec couvercle sont illustrées à la Fig. 1b. Les pièces pesées, les pièces imprimées pesées avec supports et leur pourcentage de remplissage utilisé dans l'impression sont présentées dans le tableau 1. La cellule de cisaillement en aluminium d'origine pesait 728,4 g et le couvercle en aluminium d'origine avec des barres de cisaillement en acier inoxydable pesait 235,4 g. Les pièces imprimées en PLA pesaient 2,6 fois moins et la cellule imprimée en ASA pesait presque 3 fois moins que les pièces d'origine. Le remplissage utilisé pour toutes les pièces imprimées de Schulze était de 100 %. Les différences de poids sont dues à des densités de matériaux différentes. L'aluminium a une densité de 2,7 g.cm-3, le filament PLA a une densité de 1,24 g.cm-3 et le filament ASA a une densité de 1,07 g.cm-3.

L'ensemble de mesure FT4 imprimé en 3D et l'ensemble de mesure d'origine sont illustrés aux figures 3b et c. Le récipient d'échantillons de FT4 est à l'origine composé de cinq pièces, qui ont été réduites à deux parties. La partie inférieure imprimée en 3D a remplacé le récipient de 85 ml avec un diamètre intérieur de 48 mm, son fond amovible, le support qui le maintient en place pendant la mesure et le support rotatif pour la partie supérieure. La partie supérieure imprimée en 3D a remplacé le récipient supérieur de 85 ml avec un diamètre intérieur de 48 mm et elle est assise de manière pivotante sur la partie inférieure. L'assemblage original du récipient de deux récipients de 85 ml avec un fond amovible, un support qui maintient l'ensemble du récipient en place pendant la mesure et un support rotatif pour la partie supérieure pesait 291,8 g. L'ensemble de récipient d'origine pour la mesure de l'angle de frottement interne différait en ayant un fond amovible pour le frottement interne et pesait 289,9 g. Les assemblages de vaisseaux imprimés à partir de PLA pour les mesures de compressibilité et de frottement interne pesaient environ 3 fois moins que les assemblages d'origine. Les assemblages de récipients imprimés ASA pesaient plus de 3,3 fois moins que les assemblages d'origine.

Conception des instruments FT4 (a) L'arbre imprimé, la lame, le piston ventilé et la tête de cisaillement du FT4 ; (b) Ensemble de mesure FT4 imprimé en PLA ; (c) l'ensemble de mesure original du FT4. Cette figure a été créée dans Gimp 2.10.32.

L'entonnoir imprimé en 3D avait une hauteur réduite, ce qui n'affecte pas la mesure. L'entonnoir d'origine est en plastique et pesait 30,7 g. L'entonnoir imprimé en PLA pesait 25,8 g et l'entonnoir imprimé en ASA pesait 22,2 g.

Les instruments de mesure FT4 tels que la tête de cisaillement, la lame et le piston ventilé ont été imprimés en 3D en deux parties. La première partie était l'arbre avec l'écrou, qui était le même pour les trois instruments de mesure. L'arbre était relié à la deuxième partie par l'extrémité d'un arbre de section carrée (Figure 3a). Cette liaison profilée transmet le couple sans que les deux parties de l'outil de mesure tournent l'une contre l'autre. La précision de fabrication de la méthode d'impression FFF a créé un léger chevauchement qui a permis aux deux parties d'être jointes à la main mais n'a pas nécessité de protection contre l'éjection. Le remplissage de l'arbre a été choisi à 7 % pour surmonter le gauchissement lors de l'impression avec le filament ASA. La configuration de remplissage améliore les dimensions géométriques et les tolérances, telles que le faux-rond radial et le faux-rond total de l'arbre. Les deuxièmes parties de la lame, le piston ventilé et la tête de cisaillement ont été imprimés avec une configuration de remplissage de 15 %. Des modifications de conception des instruments ont été apportées pour éviter les dommages dus aux charges mécaniques, les barres de cisaillement de la tête de cisaillement ont été épaissies de 0,1 à 0,8 mm et la lame a été épaissie de 0,7 à 1,8 mm. La tête de cisaillement imprimée en 3D a été imprimée en une seule pièce, de sorte que les vis n'ont pas été utilisées dans la conception. La lame a ensuite été modifiée pour garantir des forces et des couples similaires lors du conditionnement des échantillons mesurés. La courbure de la lame était moins courbée, ce qui se traduisait par un angle plus petit à chaque extrémité de la lame (figure 3a). La lame d'origine avait l'extrémité de la lame incurvée à un angle de 70 degrés, tandis que l'extrémité de la lame imprimée en 3D n'est incurvée qu'à un angle de 40 degrés.

Le prix de l'impression 3D a ses avantages. Le matériau pour l'impression 3D (PLA et ASA) est environ 3 fois plus cher que l'aluminium ou l'acier inoxydable par kilogramme. Cependant, les instruments imprimés en 3D sont 2,5 à 10 fois plus légers que les originaux. Après prise en compte des déchets de production, la différence de poids des matériaux est encore plus grande. Les coûts se diversifient en fonction du coût d'usinage, de la complexité de l'usinage, de la nécessité de changer d'outils d'usinage. En revanche, l'impression 3D est plus polyvalente, plus simple et avec un poids inférieur du produit final. Les coûts de production des instruments originaux sont au moins 30 fois supérieurs à ceux des instruments imprimés en 3D.

Le régolithe est un terme terrestre qui est également utilisé pour désigner des matériaux sur d'autres corps célestes. De nos jours, il est utilisé comme expression courante pour une couche de matériau rocheux fragmentaire. La formation et l'évolution du régolithe est un processus complexe. Dans la formation du régolithe lunaire, deux mécanismes de base ont été déterminés. Premièrement, destructif, qui est l'excavation du régolithe existant par cratère d'impact, et deuxièmement, constructif, qui est l'ajout de nouvelles couches. Ces processus provoquent de très grandes différences structurelles et stratigraphiques dans le régolithe, même entre des sites distants de seulement quelques mètres11.

Les poudres de simulant de régolithe lunaire sont basées sur des échantillons terrestres analysés par des expériences menées directement sur la Lune, ou surveillées à distance depuis la Terre11. Comme mentionné ci-dessus, les matériaux utilisés dans cette étude sont deux simulants de régolithe lunaire. Ces deux poudres ont été fabriquées par le CLASS Exolith Lab. Les simulants, illustrés sur la Fig. 4a, sont fabriqués à partir de matériaux terrestres naturels dans un environnement terrestre, et donc toutes les propriétés du simulant de jument lunaire (LMS-1) et du simulant des hautes terres lunaires (LHS-1) ne peuvent pas être copiées. Le producteur garantit des propriétés telles que la minéralogie, la chimie en vrac et la distribution granulométrique. Cependant, la forme des particules, la réactivité, l'oxydation et l'altération sont des propriétés mal simulées dans les simulants.

(a) Simulateur de régolithe lunaire LHS-1 (ci-dessus) et LMS-1 (bas); (b) la configuration du test de cisaillement de Schulze ; (c) Configuration du test de cisaillement du FT4. Cette figure a été créée dans Gimp 2.10.32.

Bien que la granulométrie soit garantie par le fabricant entre 0 et 1 mm, une analyse granulométrique a été réalisée. L'analyseur laser Cilas 1190 (Cilas, Orléans, France) a été utilisé pour mesurer la distribution granulométrique par la méthode de diffraction de Fraunhofer31. L'eau a été utilisée comme milieu de mesure car ni le LHS-1 ni le LMS-1 ne se sont dissous dans l'eau. La sonication a été utilisée pendant les mesures pour assurer une dispersion complète de l'échantillon. L'échantillon dispersé dans le milieu a été mesuré en utilisant une lumière cohérente avec une longueur d'onde de 830 nm provenant d'une diode laser de faible puissance. Les valeurs résultantes ont été évaluées directement dans l'appareil Cilas33,34. L'interprétation était basée sur la théorie de Fraunhofer35. Chaque échantillon a été mesuré trois fois, de sorte que les paramètres résultants sont les valeurs moyennes de dmean, d10, d50 et d90.

La forme des particules est une propriété d'un matériau en vrac qui affecte son comportement lors de l'extraction, du traitement et du stockage. Comme mentionné ci-dessus, le fabricant de simulant de régolithe lunaire ne tente pas de simuler des formes exactes de particules. Le régolithe lunaire est formé par divers processus qui sont les impacts constants de petits et grands astéroïdes et qui sont propres aux conditions sans air de la Lune11. Par conséquent, l'évaluation des formes de particules présentées dans cet article n'est qu'illustrative basée sur des photographies au microscope électronique à balayage (MEB).

Les tests suivants ont été utilisés pour tester les performances des instruments de mesure imprimés. Pour vérifier la stabilité de mesure des instruments imprimés, nous avons également utilisé des instruments imprimés en 3D en combinaison avec des instruments en acier inoxydable d'origine et des instruments en acier d'origine.

Les propriétés de cisaillement montrent la facilité avec laquelle les matières particulaires s'écoulent. Pour qu'un flux de matière particulaire se produise, la limite d'élasticité doit être surmontée. La limite d'élasticité est fortement influencée par les propriétés mécaniques et physiques des particules telles que les propriétés de surface, la forme et la taille. D'autres variables, telles que la teneur en humidité, les forces de Van der Waals ou le niveau d'additif d'écoulement, affectent également l'écoulement du matériau en vrac. Les propriétés de cisaillement des matériaux en vrac sont utilisées dans la conception des équipements de manutention, de stockage et de traitement.

Les propriétés d'écoulement des matériaux en vrac sont utilisées dans diverses applications36, généralement quantifiées sous forme d'angle de frottement interne linéarisé (LAIF, ϕ), d'angle de frottement interne effectif (EAIF, δ) et de fonction d'écoulement ffc pour décrire le comportement du matériau en vrac37. Les valeurs de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc et cohésion c ont été mesurées sur Schulze Ring Shear Tester RST-01.pc (Wolfenbuttel, Allemagne, Fig. 4b et Freeman's FT4 Powder Tester (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire , UK, Fig.

Les mesures de AIF (δ, ϕ), ffc et c avaient une contrainte normale de pré-cisaillement de 10 000 Pa, des points de cisaillement avec des valeurs de contraintes normales de 250 Pa, 500 Pa, 1 000 Pa, 2 500 Pa, 5 000 Pa et 7 500 Pa. Les valeurs résultantes de AIF (δ, ϕ), ffc et cohésion c étaient la moyenne de dix mesures. Douze combinaisons de mesures ont été effectuées pour deux appareils de mesure, deux simulants de régolithe lunaire (LHS-1 et LMS-1) et trois matériaux d'ensemble de mesure (acier et matériaux plastiques additifs) donnant un total de 120 mesures. Les méthodes de mesure AIF (δ, ϕ), ffc et c étaient rotationnelles. Cependant, il y avait différentes procédures de mesure et caractéristiques dans la cellule de cisaillement. Une comparaison récente a montré que dans la plupart des cas, des valeurs inférieures de EAIF (δ), LAIF (ϕ) et ffc sont obtenues en utilisant FT436. En raison de la géométrie, des rapports de surface et des tailles de cellule incomparables, le volume total de l'échantillon diffère. En général, ce comportement est dérivé de la propriété des matériaux en vrac selon laquelle le matériau en vrac s'écoule moins facilement à travers des sections transversales plus petites.

La cellule de cisaillement annulaire et le couvercle de Schulze, ainsi que le récipient d'échantillon, l'entonnoir, la lame, le piston ventilé et la tête de cisaillement du FT4 ont été imprimés en 3D à partir de filaments PLA et ASA. Les conceptions d'instruments imprimés et leurs modifications sont décrites dans la section Équipement imprimé de fabrication de filaments fondus. Toutes les pièces imprimées en 3D ont été correctement calibrées avant la mesure car elles exerçaient moins de pression en raison de leur poids inférieur.

La compressibilité est une propriété des matériaux en vrac qui montre la variation de la densité apparente en fonction de la pression de consolidation. La mesure de compressibilité n'est ni une propriété de cisaillement ni une propriété d'écoulement du matériau en vrac mais elle dépend de quantités similaires. Cette propriété est affectée par la distribution granulométrique, la cohésion, la texture de surface des particules, la forme des particules et la rigidité des particules. La compressibilité est une propriété importante pour la conception des équipements de procédé tels que les silos, les convoyeurs, les mélangeurs, les équipements de compactage et les presses à comprimés41.

La compressibilité a été mesurée avec le rhéomètre à poudre FT4 de Freeman Technology avec un test de compressibilité standard42. Le test standard a obtenu des données en exprimant le pourcentage de compressibilité pour une charge normale de 0,5 à 15 kPa appliquée sur l'échantillon. Des échantillons de simulants de régolithe lunaire ont été mesurés dans le récipient d'échantillon de 85 ml avec un diamètre de 50 mm. Un piston de compression ventilé d'un diamètre de 47,5 mm et une lame de 48 mm ont été utilisés.

Ces modifications de conception ont été décrites dans la section Équipement imprimé de fabrication de filaments fondus. Pour chaque ensemble d'instruments (acier inoxydable d'origine, imprimé PLA, imprimé ASA), 10 mesures ont été effectuées.

L'indice de stabilité (SI), l'indice de débit (FRI) et l'énergie de fluidité de base (BFE) ont été analysés à l'aide du rhéomètre à poudre FT4 de Freeman d'une manière décrite précédemment (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire, Royaume-Uni)42. Les mesures SI, FRI et BFE sont effectuées à l'aide du préréglage de test standardisé dans le rhéomètre à poudre FT4. Les mesures SI et FRI ont été effectuées dans un récipient de 65 ml. Cinq mesures ont été prises pour chaque ensemble de matériaux d'instrument (acier inoxydable d'origine, imprimé PLA, imprimé ASA) et leurs combinaisons (récipient d'origine avec lame en PLA, récipient d'origine avec lame en ASA, récipient en PLA avec lame d'origine et récipient en ASA avec lame d'origine) .

L'indice de stabilité (SI) d'une poudre42 montre les propriétés d'écoulement conditionnées sous l'action de forces pendant l'écoulement, qui peuvent changer en raison de la tendance de la poudre à l'agglomération, à la prise en masse et à l'attrition. Le programme SI mesure la matière particulaire par une séquence de conditionnement suivie d'un cycle de test. Les cycles de test sont répétés sept fois. Les sept points de mesure forment une ligne droite, et plus la poudre est stable, plus la ligne est droite. Le SI est défini comme le rapport de l'énergie consommée lors du test 7 sur l'énergie consommée lors du test 143. Plus le SI se rapproche de 1, plus la poudre mesurée est stable. Si le SI > 1, la poudre mesurée est affectée par l'absorption d'humidité, la ségrégation, l'agglomération, la désaération et la charge électrostatique. Si le SI < 1, alors la poudre mesurée est affectée par le sur-mélange, la désagglomération, l'attrition et le revêtement additif de la lame et du récipient42.

La variable FRI42 est mesurée comme un débit décroissant aux points de mesure 8 à 11, où le débit de la pale diminue de 100 mm.s-1 à 10 mm.s-1. Le FRI de la lame indique la sensibilité de la poudre mesurée et est exprimé en indice de débit (FRI). Les poudres non cohésives montrent moins de changements sensibles pour le FRI, qui est défini comme le rapport du test d'énergie 11 au test d'énergie 842. Le FRI < 1 a des poudres avec un écoulement extrêmement bon. Le FRI = 1 a des poudres avec un revêtement de surface ou une grande distribution granulométrique, ce qui les rend insensibles aux changements de débit. La plupart des poudres mesurées ont une sensibilité au débit 3 > FRI > 1,5. Si le FRI > 3, alors la poudre est trop sensible au changement de débit43.

L'énergie de fluidité de base (BFE)42 est une propriété définie par l'énergie consommée pour le point 7 lors de l'essai normalisé à débit variable, qui correspond à l'énergie d'écoulement43. L'énergie consommée par le débit spécifique est générée dans le volume exact du récipient lorsque la pale se déplace vers le bas.

Les distributions granulométriques des simulants de régolithe LHS-1 et LMS-1 sont présentées à la figure 5 et les valeurs de dmean, d10, d50 et d90 sont données au tableau 2.

La distribution granulométrique (différentielle et cumulative) pour les simulants de régolithe LMS-1 et LHS-1.

Pour les deux simulants, toutes les particules étaient inférieures à 500 µm. LHS-1 avait des particules plus petites que LMS-1, comme indiqué dans le tableau 2. Les paramètres dmean, d10, d50 et d90 montrent que la différence de taille de particule est due à une plus grande représentation d'une fraction plus grande de 80 à 400 µm. Les photographies SEM complètent de manière appropriée la caractérisation de LMS-1 et LHS-1 (figure 6). Les photographies montrent la forme angulaire à facettes des particules simulant le régolithe lunaire.

Photos au microscope électronique à balayage (SEM) de simulants de régolithe lunaire (a) LMS-1 et (b) LHS-1.

Les valeurs de EAIF (δ), LAIF (ϕ), fonction de flux ffc et cohésion c sont des valeurs moyennes de 10 mesures. Le tableau 3 montre EAIF (δ) avec écart type (SDδ), sa valeur maximale (δmax) et sa valeur minimale (δmin), LAIF (ϕ) avec écart type (SDϕ), sa valeur maximale (ϕmax) et sa valeur minimale (ϕmin). Le tableau 4. montre la fonction de débit ffc avec l'écart type (SDffc), sa valeur minimale (ffcmin) et sa valeur maximale (ffcmax), la cohésion c avec l'écart type (SDc), sa valeur minimale (cmin) et sa valeur maximale (cmax). Comme on peut le voir dans les tableaux (ci-dessous), les données ont été divisées en deux parties, la moitié supérieure avec le spécimen LMS-1 et la moitié inférieure avec le spécimen LHS-1. Chaque moitié des tableaux est basée sur les mesures RST et FT4 de la combinaison appropriée de simulant de régolithe et d'instruments de cisaillement.

La comparaison entre les méthodes de mesure RST et FT4 ne doit pas être prise sans ambiguïté. Les valeurs de EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc et c correspondaient à la taille de la surface de cisaillement, étant plus grandes pour le RST (8482 mm2) et plus petites pour le FT4 (1879 mm2)44. Cependant, une comparaison des méthodes de test de cisaillement standard RST et FT4 entre les simulants de régolithe LMS-1 et LHS-1 a montré une fluidité légèrement meilleure de la poudre LHS-1. Les propriétés d'écoulement résultantes de LHS-1 sont dues à la plus grande fraction de particules inférieures à 80 µm dans la poudre. Les particules plus petites agissent comme un lubrifiant qui permet aux particules plus grosses de tourner dans une position avec possibilité de mouvement. La cohésion c montre le macro-effet des propriétés d'écoulement des poudres.

La corrélation entre LMS-1 et LHS-1 est intéressante, car la première poudre avait de moins bons résultats de comparaison pour différents ensembles d'instruments matériels. Les résultats obtenus à partir des mesures de la poudre LMS-1 sur RST avec la cellule de cisaillement et le couvercle en aluminium d'origine avaient une fluidité légèrement inférieure à celle des mesures avec les cellules de cisaillement et les couvercles imprimés PLA et ASA. Cela ressort des valeurs ffc inférieures et des valeurs EAIF (δ) et LAIF (ϕ) supérieures mesurées avec l'ensemble d'origine par rapport aux mesures de l'instrument imprimé en 3D. La cellule de cisaillement imprimée ASA et le couvercle ont montré le plus petit écart type pour EAIF (δ) et LAIF (ϕ). Bien que la valeur de l'écart type pour ffc était la plus petite pour l'ensemble d'instruments d'origine, la différence par rapport aux autres ensembles de matériaux était négligeable. L'observation la plus frappante qui ressort de la comparaison des données est la poudre LMS-1 mesurée sur FT4. Les différences entre AIF (δ, ϕ) étaient jusqu'à 3°, et la différence de ffc était jusqu'à 2°. Cependant, les EAIF (δ) et ffc légèrement pires du LMS-1 mesurés sur FT4 sont dus à la plus petite section transversale du vaisseau de cisaillement.

Fait intéressant, pour la poudre LHS-1, une bonne corrélation des résultats mesurés sur le RST a été observée entre les trois combinaisons de matériaux de cellule de cisaillement et de couvercle. Le pire ffc a été mesuré sur le RST avec des instruments originaux pour la poudre LHS-1, mais la différence par rapport aux autres ensembles d'instruments matériels était négligeable. Même dans le cas des mesures de poudre LHS-1 sur FT4, une corrélation positive significative a été trouvée entre les trois ensembles d'instruments de mesure. Les valeurs ffc mesurées sur le FT4 ont montré la meilleure corrélation de toutes les mesures lors de la comparaison entre différents ensembles d'instruments matériels.

Passons maintenant aux résultats expérimentaux de cohésion c, qui montrent une corrélation avec les déviations EAIF (δ), LAIF (ϕ) et ffc. La poudre LMS-1 montre des différences significatives dans les résultats de cohésion c. Les résultats mesurés de la cohésion c sont quelque peu contre-intuitifs. Cela est dû aux valeurs réduites mesurées sur le RST avec les instruments imprimés PLA et ASA, mais à l'augmentation des valeurs mesurées sur le FT4 avec les instruments imprimés PLA et ASA par rapport aux ensembles d'instruments d'origine pour les deux appareils.

Les valeurs résultantes, représentées sur la figure 7, ont été moyennées à partir de dix mesures du pourcentage de changement de volume après compression. Les courbes de compressibilité présentées montrent un accord élevé lorsque les instruments originaux et imprimés en 3D sont comparés. La poudre de LHS-1 avec des particules plus fines avait une compressibilité plus élevée. Pour 15 kPa de contrainte normale appliquée, son volume a changé de plus de 10 %. La poudre LMS-1 a montré une compressibilité de plus de 6 % pour 15 kPa de contrainte normale appliquée.

Compressibilité des poudres LMS-1 et LHS-1 mesurée par des instruments originaux et imprimés en 3D.

L'objectif de l'étude était d'étudier l'effet des instruments et des récipients imprimés en 3D sur les valeurs de compressibilité mesurées. Les valeurs ont montré des écarts négligeables, comme le montre la figure 7. Une découverte imprévue était que le cisaillement de la poudre après le conditionnement initial avait le plus grand effet sur le résultat mesuré. Si ce cisaillement de la poudre ne s'effectuait pas presque parfaitement dans le plan, le résultat ultérieur était sensiblement différent. Cette constatation s'applique à la fois au navire d'origine et au navire imprimé en 3D. Cependant, les récipients imprimés en 3D avaient une planéité de surface légèrement inférieure dans le plan de cisaillement, ce qui a aggravé l'effet et la nécessité d'un cisaillement parfait de la poudre. Une corrélation positive significative entre la taille du diamètre du piston ventilé imprimé en 3D et les résultats de compressibilité. En raison du rétrécissement lors de l'impression 3D, la taille du diamètre dans le modèle CAO a été modifiée pour correspondre au piston ventilé d'origine après l'impression 3D.

Les résultats de la dépendance de l'énergie consommée lors des essais sur la vitesse en bout de pale sont présentés sur la Fig. 8. Les résultats sont la moyenne de 5 mesures. Les deux poudres ont montré des valeurs très stables de l'indice de stabilité (SI). Cependant, les valeurs de l'indice de débit (FRI) ont montré un comportement différent pour les deux régolithes. La différence la plus significative concernait la consommation d'énergie pendant les tests, le régolithe en poudre LMS-1 montrant un BFE [mJ] beaucoup plus élevé que le régolithe en poudre LHS-1.

Résultats moyens des tests normalisés de l'indice de stabilité, de l'indice de débit et de l'énergie de fluidité de base—gauche LMS-1,—droit LHS-1.

Le plus grand écart SI pour la mesure LMS-1 était dans le récipient d'origine avec une lame imprimée ASA, où SI = 1,00 avec un écart type inférieur à σSI = 0,024, la valeur minimale de SImin = 0,96 et la valeur maximale de SImax = 1,02. Les autres mesures LMS-1 avaient la valeur SI moyenne de 0,97 < SI < 1,02, un écart type inférieur à σSI = 0,02, la valeur minimale SImin = 0,95 et la valeur maximale SImax = 1,04. Des valeurs SI similaires ont été mesurées pour le régolithe en poudre LHS-1. Le plus grand écart dans la mesure SI concernait le récipient imprimé ASA avec la lame d'origine, où la valeur moyenne SI = 1,01 avait un écart type inférieur à σSI = 0,038, la valeur minimale SImin = 0,97 et la valeur maximale SImax = 1,08. Pour les autres mesures de LHS-1, le SI moyen était inférieur à 0,97 < SI < 1,02, l'écart type inférieur à σSI = 0,029, la valeur minimale SImin = 0,94 et la valeur maximale SImax = 1,03.

Bien que le SI ait montré une stabilité similaire pour les deux poudres, le FRI a montré un comportement différent. Le plus grand écart dans la mesure FRI du régolithe de poudre LMS-1 concernait le récipient d'origine avec lame imprimée ASA, où la valeur moyenne de FRI = 1,20 avec l'écart type inférieur à σFRI = 0,034, la valeur minimale FRImin = 1,16 et le valeur maximale FRImax = 1,24. Les autres mesures LMS-1 avaient la valeur FRI moyenne de 1,17 < FRI < 1,23, l'écart type inférieur à σFRI = 0,015, la valeur minimale FRImin = 1,15 et la valeur maximale FRImax = 1,23. La mesure FRI du régolithe en poudre LHS-1 a montré une différence, la valeur FRI moyenne allant de 1,56 < FRI < 1,76, l'écart type étant inférieur à σFRI = 0,036, la valeur minimale étant FRImin = 1,54 et la valeur maximale étant FRImax = 1.81. La poudre LMS-1 a montré moins de sensibilité que la poudre LHS-1.

Les valeurs d'énergie de fluidité de base (BFE) ont montré la dépendance de la vitesse de pointe de la pale de 100 mm.s-1 sur la consommation d'énergie pendant le test 7. Une forte corrélation a été trouvée entre la technique de fabrication du récipient et la consommation d'énergie pendant le test. En raison de la superposition du vaisseau qui se forme lors de l'impression 3D, la consommation d'énergie a augmenté. Une description plus détaillée de la modification et de l'impression 3D a été mentionnée dans la section Équipement imprimé de fabrication de filaments fondus.

Les mesures BFE de la poudre LMS-1 avec le récipient d'origine ont montré des valeurs moyennes dans la plage de 4 843 mJ < BFE < 5 092 mJ, avec l'écart type σBFE = 200 mJ, la valeur minimale BFEmin = 4 692 mJ et la valeur maximale valeur BFEmax = 5 291 mJ. Lorsqu'elles sont mesurées dans les récipients imprimés en 3D, les valeurs BFE ont augmenté de 1 435 mJ pour atteindre des valeurs moyennes dans la plage de 6 277 mJ < BFE < 6 487 mJ, avec l'écart type σBFE = 172 mJ, la valeur minimale BFEmin = 6 133 mJ et la valeur maximale BFEmax = 6 777 mJ.

Les mesures de la poudre de LHS-1 ont montré une augmentation similaire de la consommation d'énergie pour le récipient non original. Les valeurs moyennes de BFE pour le navire d'origine variaient de 2 473 mJ < BFE < 2 658 mJ, avec l'écart type σBFE = 81 mJ, la valeur minimale BFEmin = 2 382 mJ et la valeur maximale BFEmax = 2 749 mJ. Les valeurs moyennes de BFE ont augmenté de 976 mJ lorsqu'elles sont mesurées dans les vaisseaux imprimés en 3D, donnant une plage de 3 422 mJ < BFE < 3 617 mJ, avec l'écart type σBFE = 162 mJ, la valeur minimale BFEmin = 3 291 mJ et la valeur maximale valeur BFEmax = 3 837 mJ. Les valeurs moyennes de BFE mesurées dans les vaisseaux imprimés en 3D pourraient être améliorées en traitant la surface interne du vaisseau après l'impression 3D. Cependant, cette comparaison a montré l'importance du matériau du vaisseau et de la méthode de fabrication.

Le but de cette étude était d'étudier la possibilité d'utiliser des instruments de mesure fabriqués par la méthode d'impression 3D par extrusion de matériaux pour mesurer des propriétés mécaniques et physiques sélectionnées de matériaux en vrac dans des conditions extrêmes. Cette étude a montré que les méthodes de mesure utilisées, telles que le test de cisaillement annulaire de Schulze, le test de cisaillement de FT4, le test de compressibilité de FT4 et les tests de débit et de stabilité de FT4, peuvent être effectuées à l'aide d'instruments de mesure interchangeables. Cependant, cette problématique a ses enjeux, et il est important d'être clair sur les avantages et les inconvénients et de savoir quels résultats sont affectés et comment. En raison des propriétés mécaniques différentes des matériaux utilisés pour les instruments de mesure, entre l'original (acier ou verre) et l'impression 3D (plastique), la question de l'influence sur le processus de mesure se pose. Plus précisément, cela concernera la rugosité et la rigidité de la surface. La rugosité et la rigidité de surface sont réglables dans certaines limites par le processus d'impression 3D. De plus, la tribocharge peut être un paramètre crucial pour certains types de matériaux, affectant les résultats de mesure, par exemple, pour les matériaux très légers et à petit grain. Dans le cas de notre recherche, aucun effet significatif de la tribocharge n'a été supposé. La cellule de cisaillement et le couvercle32 de Schulze étaient au moins 2,5 fois plus légers que les instruments de mesure d'origine lors de l'utilisation d'instruments imprimés PLA, et plus de 3 fois plus légers que les originaux lors de l'utilisation d'instruments imprimés ASA. La cellule de cisaillement et le couvercle imprimés en 3D de Schulze pourraient être encore plus légers, en raison de la dépendance au pourcentage de remplissage qui pourrait diminuer avec moins de stress normal. Les vaisseaux du FT4 imprimés en 3D étaient plus de 2,6 fois plus légers que les assemblages de vaisseaux d'origine42. Les instruments de mesure du FT4 imprimés en 3D étaient plus de 4 fois plus légers que les instruments de mesure d'origine, et la lame et la tête de cisaillement imprimées en ASA étaient encore plus de 10 fois plus légères.

Quant au choix de la méthode d'impression 3D, nous avons utilisé la méthode FFF car nous avons opté pour une option simple et bon marché. La méthode FDM a été brevetée par la société Stratatys. Par rapport au FFF, l'impression FDM est plus précise, a une meilleure qualité de surface et les pièces ont de meilleures propriétés mécaniques. L'inconvénient est le prix élevé et la nécessité de toujours utiliser un matériau de support soluble. La plupart des avantages sont dus à la chambre d'impression fermée qui permet de maintenir la température interne (par exemple : 90 °C pour l'ABS). Ce type d'environnement d'impression est appelé chaud-chaud (lit chauffant par air de buse) par opposition à l'environnement FFF chaud-froid-chaud. Cela conduit à de meilleures propriétés mécaniques, où l'adhérence entre les couches est renforcée et le gauchissement et le gondolage des pièces imprimées sont évités16.

Les méthodes normalisées de mesure des matières particulaires sont très difficiles à reproduire avec précision dans des endroits difficiles d'accès, tels que des environnements hors laboratoire sur le terrain ou sur des corps extraterrestres. Ces types de mesures seront toujours affectés et déviés des mesures de laboratoire. Cependant, la méthodologie a des fondements fondamentaux qui doivent être préservés. Ces principes fondamentaux sont basés sur le logiciel et le matériel de la machine, tels que les directives de mouvement de l'acier, les jauges de contrainte, le pesage des matériaux et l'évaluation du programme, et ne doivent pas être changés ou modifiés pour maintenir la possibilité de comparer les résultats avec ces mesures de laboratoire.

Comme mentionné ci-dessus, les poudres de simulation lunaire sont basées sur la terre et simulent la minéralogie, la composition chimique et la distribution granulométrique. Cependant, en raison d'une mauvaise simulation de la forme des particules et de l'altération, les résultats ne peuvent pas être utilisés comme informations pour concevoir des équipements de stockage, de manutention et de traitement ailleurs que sur la planète Terre.

Les premières mesures in situ hors laboratoire et extraterrestres seraient indicatives. Cependant, d'autres mesures fourniront l'opportunité de comparer les résultats mesurés, permettant la conception et l'optimisation d'équipements de traitement et de manipulation sur des corps extraterrestres. La recherche aboutit aux principales conclusions suivantes :

La lame qui a été imprimée en 3D avec la technologie FFF n'est pas une copie parfaite. La technologie de fabrication n'avait pas une précision suffisamment élevée pour produire une courbure de lame géométriquement identique. Le lissé de surface n'était pas bon et la stratification de surface de la partie incurvée pouvait être vue à l'œil nu. Comme mentionné ci-dessus, l'angle de la lame a été modifié par rapport à l'original. Une modification a été apportée pour maintenir la charge mécanique pendant la mesure et pour mesurer une résistance à la torsion similaire. Le lissage de la surface de la lame a légèrement modifié les valeurs mesurées de l'indice de stabilité (SI) et de l'indice de débit (FRI). Cependant, après deux mesures initiales, les valeurs mesurées se sont stabilisées et ces valeurs des tests initiaux n'ont pas été incluses dans les résultats.

Le filament PLA a été choisi comme filament bon marché et facile à imprimer pour l'évaluation des instruments de mesure imprimés en 3D, tels que la conception, la fonctionnalité, l'imprimabilité. Bien que le filament ASA soit plus difficile à imprimer et plus cher que le PLA, ses propriétés mécaniques, sa résistance aux UV et aux couleurs, sa résistance à la température et sa densité inférieure à celle du PLA en font un excellent choix pour la configuration de laboratoire dans un environnement plus difficile. Cependant, dans des environnements extrêmes, l'équipement de traitement doit être conçu pour les propriétés mécaniques et physiques réelles du matériau en vrac. Par conséquent, un meilleur matériau de filament pourrait être nécessaire. Actuellement, les filaments sont en PolyEtherEtherKeton (PEEK), qui a un rapport résistance/poids comparable à l'acier inoxydable et des propriétés thermiques exceptionnelles. Le matériau peut résister aux cycles thermiques dans les chambres à vide utilisées pour les tests de qualification spatiale, les radiations ou l'usure. Le matériau nécessite une technologie d'impression par modélisation par dépôt de fusion (FDM) avec des températures de buse d'environ 400 °C, et il est utilisé dans l'industrie spatiale, l'aviation, l'industrie pétrolière et les applications d'ingénierie mécanique avancées.

Comme mentionné ci-dessus, le test de compressibilité standard dépend fortement du cisaillement approprié du matériau particulaire dans le récipient après le conditionnement initial. La planéité de la surface dépend de la méthode d'impression et peut conduire à des valeurs de compressibilité différentes si le cisaillement n'est pas effectué correctement dans le plan. De plus, le diamètre du piston imprimé en 3D a été modifié dans le modèle CAO en raison du rétrécissement pour correspondre au diamètre d'origine après l'impression 3D.

Les mesures de l'indice de débit (FRI) et de l'indice de stabilité (SI) montrent une dépendance au matériau de la cuve et à la méthode de fabrication de la cuve. Cependant, seule l'énergie de flux de base (BFE) a été affectée négativement par l'augmentation de l'énergie consommée lors des tests. Les résultats FRI et SI sont restés stables et reproductibles lorsque des récipients imprimés en 3D ont été utilisés et que la consommation d'énergie a augmenté pendant les tests.

Pour l'instrument de mesure imprimé en 3D, un matériau de filament approprié doit être utilisé pour avoir une résistance chimique suffisante pour le matériau en vrac qui est mesuré. De plus, un matériau de filament approprié doit être utilisé pour résister à la charge mécanique pendant la mesure. Enfin, le matériau de filament doit avoir une stabilité aux UV et aux rayonnements pour l'environnement dans lequel le matériau particulaire est mesuré.

Pour résumer, les principaux inconvénients des instruments de mesure imprimés en 3D étaient un taux d'erreur de mesure plus élevé en raison des erreurs mécaniques (interférence de la lame, de la tête de cisaillement et du piston ventilé du FT4), des écarts de mesure légèrement plus élevés et des imperfections de fabrication qui peuvent être réduites par des post- traitement après impression.

Les principaux avantages des instruments de mesure imprimés en 3D étaient le poids inférieur, la possibilité de pré-imprimer un ensemble ou d'imprimer sur place, de remplacer une pièce endommagée par une nouvelle pièce imprimée en 3D à la demande si des résultats extrêmement rapides sont nécessaires ou en raison de l'indisponibilité logistique, personnalisation des tests standardisés pour mieux comprendre le comportement des matériaux particulaires, et coût de fabrication moins cher (au moins 30 fois inférieur dans le cas de la méthode d'impression FFF).

Dans l'ensemble, cette étude a renforcé l'idée que la mesure des propriétés mécaniques et physiques dans des endroits où la légèreté est essentielle, où des instruments interchangeables sont nécessaires pour mesurer des valeurs approximatives et où un résultat rapide est plus important qu'un résultat extrêmement précis. La méthode d'impression 3D est nettement plus polyvalente pour la construction d'outils sur site que les méthodes conventionnelles d'usinage de l'acier, etc. Cela nous permet de réagir rapidement à des conditions extrêmes spécifiques, qui ne peuvent pas toujours être prédites avec précision.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Just, GH, Smith, K., Joy, KH & Roy, MJ Examen paramétrique des techniques d'excavation de régolithe existantes pour l'utilisation des ressources lunaires in situ (ISRU) et recommandations pour les futures expériences d'excavation. Planète. Espace Sci. 180, 104746. https://doi.org/10.1016/j.pss.2019.104746 (2020).

Article CAS Google Scholar

Corrias, G., Licheri, R., Orrù, R. & Cao, G. Optimisation du processus d'auto-propagation à haute température pour la fabrication in situ de matériaux de construction lunaires. Chim. Ing. J. 193–194, 410–421. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.04.032 (2012).

Article CAS Google Scholar

Howell, JT, Fikes, JC, McLemore, CA, Good, JE Infrastructure de fabrication sur site pour permettre une exploration et une utilisation efficaces de l'espace. Fédération internationale d'astronautique – 59e Congrès international d'astronautique. 12, 7842–7848, (2008).

Meurisse, A., Makaya, A., Willsch, C. & Sperl, M. Impression solaire 3D de régolithe lunaire. Acte astronaute. Rév. 152 , 800–8 https://doi.org/10.1016/j.actastro.2018.06.063 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Tucker, D., Ethridge, E., Toutanji, H. Production de fibres de verre pour renforcer le béton lunaire. Recueil d'articles techniques. 44e réunion des sciences aérospatiales de l'AIAA. 9, 6335–6343. https://doi.org/10.2514/6.2006-523 (2006)

Fairerson, EJ, Logan, KV, Stewart, BK & Hunt, MP Démonstration du concept de fabrication d'actifs physiques lunaires utilisant un simulant de régolithe lunaire et une réaction de géothermite. Acta Astronaute. 67, 38–45. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2009.12.006 (2010).

Article ADS CAS Google Scholar

Corrias, G., Licheri, R., Orrù, R. & Cao, G. Réactions à haute température auto-propagées pour la fabrication d'actifs physiques lunaires et martiens. Acta Astronaute. 70, 69–76. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2011.07.022 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Martirosyan, KS, Luss, D. Synthèse par combustion de composites céramiques à partir d'un simulant de sol lunaire. 37e Conférence sur les sciences lunaires et planétaires. 1896, (2006).

Mitchell, JK, Houston, WN & Scott, RF Propriétés mécaniques du sol lunaire : densité, porosité, cohésion et angle de frottement interne. Proc. Sci lunaire. Conf.. 3, 3235–3253 (1972).

Annonces Google Scholar

Rame, E., Wilkinson, A., Elliot, A., Young, C. Fluidité de JSC-1A. NASA/TM-2009–215625. (2009).

McKay, DS, Heiken, G., Basu, A., Blanford, G., Simo, S., Reedy, R., et al. Livre source lunaire. La presse de l'Universite de Cambridge. 1991.

Snyder, MP, Dunn, JJ, Gonzalez, EG Effets de la microgravité sur la fabrication additive basée sur l'extrusion. Conférence et exposition AIAA SPACE 2013. 5439, https://doi.org/10.2514/6.2013-5439 (2013)

Plaza, EG, López, PJN, Torija, M. Á. C. & Muñoz, JMC Analyse des propriétés géométriques du PLA traité par la fabrication additive FFF : effets des paramètres du processus et du mouvement de précision de l'extrudeuse à plaque. Polymères 11, 1581. https://doi.org/10.3390/polym11101581 (2019).

Article CAS Google Scholar

Prater, TJ et al. Mission de démonstration de la technologie d'impression 3D en zéro G : résultats expérimentaux complets et résumé des efforts de modélisation des matériaux associés. Intl. J. Adv. Fab. Technol. 101, 319–417. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2827-7 (2019).

Article Google Scholar

Dunn, JJ, Hutchinson, DN, Kemmer, AM, Ellsworth, AZ, Snyder, M., White, WB, Blair, BR Impression 3D dans l'espace : Permettre de nouveaux marchés et accélérer la croissance de l'infrastructure orbitale. Fabrication spatiale 14 : Technologies critiques pour la colonisation spatiale. Institut d'études spatiales. (2010).

Prater, TJ, Bean, QA, Beshears, RD, Rolin, TD, Werkheiser, NJ, Ordonez, EA, et al. Rapport de synthèse sur les résultats de la phase I de la mission de démonstration de l'impression 3D dans la technologie Zero-G, volume I. NASA, Marshall Space Flight Center. NASA/TP—2016–219101, (2016).

Traciak, J., Fal, J. & Zyla, G. Dispositif de mesure imprimé en 3D pour la détermination de la tension superficielle des nanofluides. Appl. Le surf. Sci. 561, 149878. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149878 (2021).

Article CAS Google Scholar

Bernard, P., Mendez., JD Polarimètre imprimé en 3D à faible coût. J. Chem. Éduc. 97, 1162-1166 https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b01083 (2020).

Maurizi, M. et al. Mesures dynamiques à l'aide de capteurs de contrainte intégrés imprimés en 3D FDM. Capteurs. 19(12), 2661. https://doi.org/10.3390/s19122661 (2019).

Article ADS PubMed Central Google Scholar

Hussain, I. & Nath, P. Conception d'un système interférométrique compact imprimé en 3D et application téléphonique requise pour les petites mesures angulaires. Rev. Sci. Instrument. 89, 103111. https://doi.org/10.1063/1.5040189 (2018).

Article ADS PubMed CAS Google Scholar

Lu , Z. & Jianguo , L. Propriétés de cisaillement des simulants de régolithe lunaire . Procedia ing. 73 , 178–185 . https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.06.186 (2014).

Article Google Scholar

Li, R. et al. Préparation et caractérisation d'un simulant de régolithe lunaire spécialisé pour une utilisation dans la simulation de faible gravité lunaire. Int. J.Min. Sci. Technol. 32, 1–15. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2021.09.003 (2022).

Article Google Scholar

Pelech, T., Barnett, N., Dello-Iacovo, M., Oh, J. & Saydam, S. Analyse de la stabilité des micro-tunnels dans le régolithe lunaire avec la méthode des éléments discrets. Acta Astronaute. 196, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.03.037 (2022).

Annonces d'article Google Scholar

Raam Kumar, S., Sridhar, SR, Venkatraman, R. & Venkatesan, M. Fabrication additive polymère de la structure ASA : Influence des paramètres d'impression sur les propriétés mécaniques. Mater. Aujourd'hui : Proc. 39, 1316-1319. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.500 (2021).

Article CAS Google Scholar

Li, P., Yvonnet, J. & Wu, Y. Amélioration de la résistance à la fracture des structures élastoplastiques imprimées en 3D en ce qui concerne leur topologie et l'orientation des couches déposées. Int. J. Mech. Sci. Malgré. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107147 (2020).

Article Google Scholar

Huynh, NU, Smilo, J., Blourchian, A., Karapetian, AV & Youssef, G. Carte des propriétés des matériaux polymères fabriqués de manière additive traités à l'époxy et imprimés. Int. J. Mech. Sci. 181, 105767. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105767 (2020).

Article Google Scholar

Somireddy, M. & Czekanski, A. Comportement des matériaux anisotropes des structures composites imprimées en 3D - fabrication additive par extrusion de matériaux. Mater. Conception. 195, 108953. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108953 (2020).

Article CAS Google Scholar

Nurizada, A. & Kirane, K. Anisotropie induite dans le comportement à la fracturation des pièces imprimées en 3D analysées par la méthode de l'effet de taille. Ing. Fracturé. Mech. 239, 107304. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107304 (2020).

Article Google Scholar

Khosravani, MR, Zolfagharian, A., Jennings, A. & Reinicke, T. Performance structurelle des composites imprimés en 3D sous diverses charges et conditions environnementales. Polym. Test 91, 106770. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106770 (2020).

Article CAS Google Scholar

Hikmat, M., Rostam, S. et Ahmed, YM Enquête sur la méthode Taguchi basée sur les propriétés de traction des pièces en PLA fabriquées par la technologie d'impression 3D FDM. Résultats Ing. 11, 100264. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2021.100264 (2021).

Article CAS Google Scholar

Khosravani, MR & Reinicke, T. Effets de la superposition de trames et de la vitesse d'impression sur la résistance des composants structurels imprimés en 3D. Structure de procédure. Intégr. 28, 720–725. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.10.083 (2020).

Article Google Scholar

Schulze, D. Ring Shear Tester RST-01.pc - Mode d'emploi. Deuxième éd. Wolfenbuttel, Allemagne. 2010.

Markandeya, SA, Dhiman, N., Shukla, SP & Kisku, GC Optimisation statistique des paramètres de processus pour l'élimination des colorants des eaux usées sur le nanocomposite de cénosphères de chitosane en utilisant la méthodologie de surface de réponse. J. Propre. Prod. 149, 597–606. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.02.078 (2017).

Article CAS Google Scholar

Engeli, R., Etter, T., Hovel, S. & Wegener, K. Possibilité de traitement de différents lots de poudre IN738LC par fusion laser sélective. J. Mater. Processus. Technol. 229, 484–491. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.09.046 (2016).

Article CAS Google Scholar

Bowen, P. Mesure de la distribution granulométrique des millimètres aux nanomètres et des bâtonnets aux plaquettes. J. Dispers. Sci. Technol. 23, 631–662. https://doi.org/10.1081/DIS-120015368 (2002).

Article CAS Google Scholar

Peciar, P., Kluka, M., Briss, L., Peciar, M. Détermination de la contrainte dans les particules avec la méthode DEM. 39e Conférence internationale de la Société slovaque de génie chimique. 106–115, (2021).

Schwedes, J. Revue sur les testeurs pour mesurer les propriétés d'écoulement des solides en vrac. Granule. Matière. 5, 1–43. https://doi.org/10.1007/s10035-002-0124-4 (2003).

Annonces d'article Google Scholar

Schulze, D. Poudre et solides en vrac : comportement, caractérisation, stockage et écoulement. (Springer Berlin, Heidelberg, 2008). https://doi.org/10.1007/978-3-540-73768-1.

Zegzulka, J. et al. Angle de frottement interne des poudres métalliques. Les métaux. 8, 255. https://doi.org/10.3390/met8040255 (2018).

Article CAS Google Scholar

Mihlbachler, K., Kollmann, T., Seidel-Morgenstern, S., Jurgen, T. & Guiochon, G. Mesure du degré de frottement interne de deux matériaux de garniture en silice native. J. Chromatogr. 818, 155–168. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(98)00546-9 (1998).

Article CAS Google Scholar

Hlosta, J., Zurovec, D., Jezerska, L., Zegzulka, J., Necas, J. Effet de la forme et de la taille des particules sur la compressibilité et les propriétés de masse des poudres dans la métallurgie des poudres. Métal. 2016.

Freeman, R. Mesure des propriétés d'écoulement des poudres consolidées, conditionnées et aérées - une étude comparative utilisant un rhéomètre à poudre et une cellule de cisaillement rotatif. Technologie Poudre. 174, 25–33. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2006.10.016 (2007).

Article CAS Google Scholar

Davis, CB & Potter, GM Walker, Traitement en aval d'une dispersion solide amorphe ternaire : les impacts du séchage par pulvérisation et de l'extrusion à chaud sur l'écoulement, la compression et la dissolution de la poudre. Int. J.Pharm. 544, 242–253. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.04.038 (2018).

Article PubMed CAS Google Scholar

Zegzulka, J., Gelnar, D., Jezerska, L., Prokes, R. et Rozbroj, J. Méthodes de caractérisation et de fluidité pour les poudres métalliques. Sci. Rep. 10, 21004. https://doi.org/10.1038/s41598-020-77974-3 (2020).

Article ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par le concours de bourses doctorales VSB - Université technique d'Ostrava, dans le cadre du programme opérationnel de recherche, de développement et d'éducation, dans le cadre du projet "Recherche et développement d'équipements innovants pour l'étalonnage et la validation de simulations DEM de particules dans le domaine de la comminution mécanique procédés et abrasion" [subvention no. CZ.02.2.69/0.0/0.0/19_073/0016945-DGS/TEAM/2020-003, 2021], et dans le cadre du projet Technologie de fabrication innovante et additive - nouvelles solutions technologiques pour l'impression 3D de métaux et de matériaux composites, [subvention Non. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407] financé par Structural Founds of Europe Union et projet SP2019/101 -Research, Science and Development in a Transport -Traffic Simulations, Adhesion Models, Storage Processes.

ENET Centre, Bulk Solids Centre, VSB-TU Ostrava, 17 novembre 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, République tchèque

Jan Divis, Jakub Hlosta, Jan Necas & Jiri Zegzulka

Département de génie minier et de sécurité, Faculté des mines et de géologie, VSB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, République tchèque

Jan Divis, Jakub Hlosta, David Zurovec, Jiri Rozbroj, Jan Necas & Jiri Zegzulka

Département des machines et des systèmes techniques, Faculté de génie mécanique, Université des sciences et technologies de Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796, Bydgoszcz, Pologne

Weronika Kruszelnicka

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Conceptualisation, DJ et RJ, NJ, ZJ ; méthodologie, DJ, HJ et RJ ; analyse formelle, HJ, RJ et Ž.D. ; enquête, DJ, HJ, RJ, Ž.D., NJ, ZJ ; conservation des données, DJ et RJ ; rédaction—préparation du brouillon original, DJ, NJ, ZJ et KW ; rédaction—révision et édition, DJ, HJ, RJ, NJ, ZJ, KW et Ž.D. ; visualisation, DJ et HJ ; surveillance, NJ, ZJ ; administration de projet, DJ, NJ, ZJ ; acquisition de financement, DJ, NJ, ZJ

Correspondance avec Jan Divis.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Divis, J., Hlosta, J., Zurovec, D. et al. Équipement de laboratoire imprimé en 3D pour mesurer des matériaux en vrac dans des conditions extrêmes. Sci Rep 12, 17331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

Télécharger la citation

Reçu : 10 mai 2022

Accepté : 10 octobre 2022

Publié: 15 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.