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Mar 12, 2024

3D-gedruckte Laborausrüstung zur Messung von Schüttgütern unter extremen Bedingungen

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 17331 (2022) Diesen Artikel zitieren 1703 Zugriffe 1 Zitate 12 Altmetric Metrics Details Aufgrund relativ neuer Lösungen im Bereich 3D-Druck gibt es

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17331 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund relativ neuer Lösungen im Bereich des 3D-Drucks gibt es nur wenige Untersuchungen zur Einsatzmöglichkeit gedruckter Elemente in Messgeräten. Ziel dieser Studie war es, die Möglichkeit zu untersuchen, Instrumente, die durch Materialextrusion im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, zur Messung ausgewählter mechanisch-physikalischer Eigenschaften von Schüttgütern zu verwenden. Die Studie untersucht die Machbarkeit der Messung der mechanisch-physikalischen Eigenschaften von Schüttgütern, wenn es in der gängigen Praxis Hindernisse für den Druck originaler oder modifizierter Messgeräte gibt. Um die Ziele zu erreichen, wurden eine Reihe von Experimenten wie die Ringschertests von Schulze, die FT4-Schertests von Freeman, Kompressibilitätstests sowie Durchflussraten- und Stabilitätstests unter Verwendung von Originalinstrumenten aus Aluminium oder Stahl sowie 3D-gedruckten Instrumenten aus Polymilchsäure und Acrylstyrol durchgeführt Acrylnitrilmaterialien unter Verwendung der Mondregolithsimulanzien LHS-1 und LMS-1, hergestellt von CLASS Exolith Lab, als Probenmaterial. Anschließend wurden die Ergebnisse aus Tests mit Original- und gedruckten Instrumenten verglichen. Die verglichenen Testwerte zeigten die Anwendbarkeit der 3D-gedruckten Messgeräte in einem Bereich der Messabweichung von 5 %. Die größten Vorteile der 3D-gedruckten Messgeräte waren das geringere Gewicht, die Möglichkeit, vor Ort zu drucken, ein beschädigtes Teil bei Bedarf durch ein neues 3D-gedrucktes Teil zu ersetzen, wenn extrem schnelle Ergebnisse erforderlich sind oder aufgrund logistischer Nichtverfügbarkeit, individuelle Anpassung der standardisierten Tests zum besseren Verständnis des Verhaltens der Partikelmaterialien und zu günstigeren Herstellungskosten.

Wissenschaftler und Ingenieure haben in den letzten Jahrzehnten bedeutende Fortschritte bei der Erforschung von Planeten und Himmelskörpern gemacht und Erkenntnisse über deren Ressourcen und Eigenschaften gewonnen. Doch neben dem Erreichen der Planeten erweist sich die sichere Landung im Universum immer noch als schwierige Aufgabe. Um dies zu ändern, werden geologische Ressourcen, Atmosphären- und Strahlungsdaten von Landern und Rovern gesammelt, die zur Überprüfung der Messungen von Sonden aus dem Orbit erforderlich sind. Lander und Rover, die mit Baggerauslegern ausgestattet sind, extrahieren Steine ​​und Staub für die Analyse der Materialeigenschaften1. Ziel ist es, vor der Ankunft der Astronauten Daten zu sammeln und Strategien für den Bau von Landeplätzen und Strahlenschutzhabitaten sowie die Entwicklung geeigneter Bauten wie Infrastruktur, Fabriken und Labore vorzubereiten.

Um solche Erkundungsmissionen zu erweitern und zu erleichtern, sind zwei In-situ-Konzepte erforderlich2,3. Erstens handelt es sich um Ausrüstung und Infrastruktur für die In-situ-Fertigung und -Reparatur (ISFR). Zweitens handelt es sich um die In-situ-Ressourcennutzung (ISRU). Infolgedessen wurden Ressourcen für die In-situ-Mondfertigung im letzten Jahrzehnt intensiv untersucht und mehrere Technologien vorgeschlagen4,5,6,7. Um Materialien auf anderen Planeten zu simulieren, werden Produkte auf Keramikbasis verwendet, beispielsweise Mondregolith1, bei dem es sich um sehr feinen Sand handelt8. In der terrestrischen Umgebung wurden Mond-Regolith-Simulanten mit ähnlichen mechanisch-physikalischen Eigenschaften9 entwickelt, wie z. B. LHT-1 M3, NU-LHT7 oder JSC-1A10. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Umgebung unterscheiden sich jedoch die Materialeigenschaften und das Verhalten auf anderen Himmelskörpern von denen auf der Erde. Das Verhalten echter Regolithe unterscheidet sich je nach Umgebung, in der Regolithe gemessen werden, je nach linearisiertem Winkel der inneren Reibung (LAIF, ϕ), effektivem Winkel der inneren Reibung (EAIF, δ), Fließfunktion (ffc), Kohäsion c und Kompressibilität , Ort der Regolith-Ausgrabung, Umgebung des Regolith-Ursprungs und Umgebung der Regolith-Umwandlung. Die Zusammensetzung der Regolithe variiert von Ort zu Ort aufgrund der Variabilität bei Asteroidenkollisionen und der Verwitterung durch Wind oder Wasser. Daher wird es von entscheidender Bedeutung sein, während der Explorationsmissionen die mechanisch-physikalischen Eigenschaften von In-situ-Regolithen und Massenmaterialressourcen messen zu können11.

Da der Transport jeglicher Ausrüstung von der Erde sehr kostspielig ist, kann es derzeit Jahre dauern, bis Ersatzteile in die Umlaufbahn gelangen. Dieses Problem wurde teilweise durch die für die Mikrogravitation modifizierte Fused Deposit Modeling-Technologie (FDM, eingetragene Marke von Stratatys) gelöst12. FDM ist eine Art der additiven Fertigung (AM), bei der eine 3D-Geometrie durch übereinanderliegende Schichten extrudierter thermoplastischer Filamente aufgebaut wird13. Die durch Made in Space-Projekte14,15 modifizierte FDM-Technologie untersucht die Möglichkeit, Werkzeuge16 zu erstellen, die Astronauten derzeit für Reparaturen oder Arbeiten benötigen. FDM ermöglicht die Verwendung einer breiten Palette von Thermoplasten13, die leicht, aber langlebig sind und bei richtiger Konstruktion einer gewissen mechanischen Belastung standhalten können. Der FDM-Druck ist außerdem sehr präzise und die meisten seiner Vorteile sind auf die geschlossene Druckkammer zurückzuführen, die die Aufrechterhaltung der Innentemperatur ermöglicht (düsenluftbeheiztes Bett). Es führt zu besseren mechanischen Eigenschaften, wobei die Haftung zwischen den Schichten gestärkt wird und ein Verziehen und Einrollen der gedruckten Teile verhindert wird16. Allerdings ist die Technologie sehr kostspielig und für die Forschung nicht allgemein verfügbar. Durch die Erweiterung der Möglichkeiten und Optionen zum Drucken von Teilen nach Bedarf im Orbit oder während Erkundungsmissionen wird die Zeit verkürzt, die benötigt wird, um Teile in den Orbit zu bringen, die Missionskosten werden gesenkt, die Notwendigkeit verringert, alle Werkzeuge und Teile an Bord zu haben, während gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeit erhöht wird Sicherheit von Weltraummissionen.

Trotz der Entwicklungen im Bereich des 3D-Drucks fehlen Untersuchungen zum Einsatz gedruckter Elemente in Messgeräten bzw. Geräten zur Messung von Schüttgütern. Traciak et al.17 entwickelten ein 3D-gedrucktes Gerät zur Messung der Oberflächenspannung von Nanoflüssigkeiten und zeigten, dass das Messergebnis mit kommerziellen Geräten vergleichbar ist. Bernard und Mendez18 stellten ein kostengünstiges Polarimeter vor, das von Schülern während des Unterrichts verwendet werden sollte. Die Studie19 beschrieb das dynamische Verhalten von 3D-gedruckten Dehnungssensoren, die in Strukturen eingebettet sind, und stützte die Aussage, dass 3D-gedruckte Sensoren für dynamische Messungen verwendet werden könnten. Die Studie20 berichtete über den Entwurf eines 3D-gedruckten kompakten interferometrischen Systems für Mobiltelefone zur Messung kleiner Winkel. Alle diese Studien zeigen ein hohes Potenzial von 3D-Druckgeräten und das Fehlen spezifischer Leitlinien für die Herstellung von Messgeräten.

Um die Lücke in diesem Bereich zu schließen, bestand das Ziel dieser Studie darin, die Möglichkeit zu untersuchen, Messgeräte, die im Materialextrusions-3D-Druckverfahren hergestellt werden, zur Messung ausgewählter mechanisch-physikalischer Eigenschaften von Schüttgütern einzusetzen. Aufgrund der Unbezahlbarkeit der FDM-3D-Drucktechnologie und damit verbundener Probleme wie der Prüfung der Auswirkungen von Umgebungen mit hoher Strahlung auf gedruckte Messwerkzeuge wurde in dieser Studie die 3D-Drucktechnologie Fused Filament Fabrication (FFF) verwendet. In diesem Artikel wird daher eine Machbarkeitsstudie zur Messung mechanisch-physikalischer Eigenschaften von Schüttgütern mit 3D-gedruckten Instrumenten vorgestellt, falls Gründe dafür vorliegen. Lu et al.21, Li et al.22 und Pelech et al.23 zeigten, warum wichtige mechanisch-physikalische Eigenschaften von Mondregolithsimulanzien gemessen werden sollen. Darüber hinaus wird der Einsatz von 3D-gedruckten Instrumenten zur Messung standardisierter mechanisch-physikalischer Eigenschaften von Partikelmaterialien nicht erforscht. Diese Gründe für den Druck originaler oder modifizierter Messgeräte sind auch auf der Erde anzutreffen, wie zum Beispiel die Notwendigkeit eines geringeren Gewichts der Messgeräte, die Möglichkeit, einen Satz Labormessgeräte vorzudrucken oder den Satz vor Ort zu drucken Ersetzen Sie ein beschädigtes Teil bei Bedarf durch ein neues 3D-gedrucktes Teil, die logistische Nichtverfügbarkeit, die Anpassung der standardisierten Tests zum besseren Verständnis des Verhaltens der Partikelmaterialien und günstigere Herstellungskosten. Die 3D-gedruckten Instrumente werden bevorzugt, wenn Vielseitigkeit der Instrumente, geringes Gewicht und/oder schnelle Ergebnisse an extremen Stellen erforderlich sind. Wenn es sich um Laborbedingungen handelt und das gemessene Partikelmaterial keine ungewöhnlichen Eigenschaften aufweist, die angepasste Messwerkzeuge erfordern, sollten standardisierte Tests durchgeführt werden.

Unter der Annahme, dass die Messgeräte für Explorationsmissionen verwendet werden, wurden auch Regolith-Simulanzproben getestet. Die Messungen der mechanisch-physikalischen Eigenschaften wie EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, Kohäsion c, Kompressibilität, grundlegende Fließfähigkeitsenergie BFE, Stabilitätsindex SI und Flussratenindex FRI für Mond-Regolith-Simulanzien: Mond-Mare-Simulanz ( LMS-1) und Lunar Highlands Simulant (LHS-1) vom CLASS Exolith Lab in Orlando, USA, werden vorgestellt. EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c und Kompressibilität sind grundlegende Merkmale des Schüttgutflusses, die zur Gestaltung von Lager-, Handhabungs- und Prozessgeräten verwendet werden. Zunächst wurden zwei Mondregolithpulver durch ihre Partikelgrößenverteilung und ihre Morphologie charakterisiert. Zweitens wurde ein Vergleich der Ergebnisse zwischen Standardmessgeräten und 3D-gedruckten Instrumenten aus Polymilchsäure- und Acrylstyrol-Acrylnitril-Materialien durchgeführt. Die Werte von EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc, c, Kompressibilität, SI, FRI und BFE wurden verglichen. Die in diesem Artikel präsentierten Ergebnisse zeigten Wiederholbarkeit und ähnliche Präzision für die Testmethoden des Schulze-Ringschertests, des Freeman-FT4-Schertests, des Freeman-FT4-Kompressibilitätsstandardtests und des Freeman-FT4-Standardtests für Durchflussrate und Stabilität. Dies zeigte die Anwendbarkeit von 3D-gedruckten Instrumenten für Testmethoden in schwer erreichbaren oder außerirdischen Umgebungen.

Die Materialien und Methoden betreffen zwei Bereiche. Der erste Bereich sind die Materialien und Methoden im Zusammenhang mit den gedruckten Messgeräten, die mittels Fused Filament Fabrication hergestellt werden. Der zweite Interessenbereich ist das Schüttgut (Regolith), das zur Prüfung der hergestellten Messgeräte verwendet wird. Der Unterabschnitt Schüttguttests beschreibt alle Tests im Zusammenhang mit der Prüfung der Leistung der 3D-gedruckten Messgeräte, der 3D-gedruckten Messgeräte in Kombination mit Original-Edelstahlkomponenten und von Original-Edelstahlinstrumenten.

Die Messgeräte wurden mithilfe der 3D-Drucktechnologie „Fused Filament Fabrication“ (FFF) auf einem Prusa i3 MKS3-Drucker (Praha, Tschechische Republik) gedruckt, wie in Abbildung 1a dargestellt. Es wurden PLA- und ASA-Filamente der Firma Prusament verwendet. ASA-Filament ist der Nachfolger des ABS-Filaments mit überlegenen Eigenschaften wie UV-Stabilität, hoher Schlagfestigkeit, Verschleißfestigkeit und einfacherer Bedruckbarkeit für das FFF-Druckverfahren24.

(a) Prusa i3 MKS3-Drucker mit 3D-gedruckter Klinge und Gefäß von FT4; (b) Schulzes Scherzelle der Größe S mit Deckel (von oben nach unten – Aluminium, 3D-CAD von Autodesk Inventor 2021, 3D-gedruckt); (c) Schulzes Scherzelle, geschnitten in PrusaSlicer Version 2.3.0. Diese Figur wurde in Gimp 2.10.32 erstellt.

Der Prusa i3 MKS3-Drucker verwendet numerisch gesteuerte G-Code-Maschinen, die es Benutzern ermöglichen, Anweisungen zu geben, die den Motoren sagen, wohin sie sich bewegen sollen, wie schnell sie sich bewegen sollen, welchen Weg sie einschlagen sollen und wie schnell sie das Filament zuführen sollen. Vor der Erstellung des G-Codes wird ein 3D-CAD-Modell des Originals erstellt, das wie in Abbildung 1b dargestellt in 3D gedruckt werden kann. Die G-Codes für die Drucke wurden in PrusaSlicer Version 2.3.0 mit einer Schichthöhe von 0,20 mm geschnitten, wie in Abbildung 1c dargestellt. Die Füllung aller Teile hatte unterschiedliche Füllungen, die in diesem Abschnitt gezeigt werden. Das Füllmuster wurde als Gyroid gewählt, mit Ausnahme der 100 %-Füllung, die geradlinig sein muss. Die PLA-Instrumente wurden bei einer Extrusionstemperatur von 210 °C und einer Betttemperatur von 60 °C gedruckt. Die ASA-Instrumente wurden bei einer Extrusionstemperatur von 260 °C Betttemperatur und 110 °C gedruckt.

Für die RST-01.pc (RST)-Tests von Schulze haben wir einen Satz Scherzelle und Deckel aus verschiedenen Materialien (Originalaluminium, PLA-gedruckt, ASA-gedruckt) verwendet. RST-Tests werden im folgenden Unterabschnitt „Massenmaterialtests“ beschrieben.

Für die Freeman's Flow Tester 4 (FT4)-Tests verwendeten wir ein 85-ml-Messprobengefäß als Baugruppe, die das Probenpulver während der Messungen enthält. Die 3D-gedruckten Probengefäße und Instrumente wurden aus PLA- und ASA-Filamenten gedruckt. Diese gedruckten Instrumente erforderten Designänderungen, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Die gedruckten Gefäße wurden entweder alle gedruckt oder waren teilweise 3D-gedruckt und bestanden auch aus Originalkomponenten, wie Kompressionskolben und Klinge aus Edelstahl. Insgesamt haben wir eine Reihe von Proben (Original-Edelstahl, PLA-gedruckt, ASA-gedruckt) und deren Kombinationen (Originalgefäß mit PLA-Klinge, Originalgefäß mit ASA-Klinge, PLA-Gefäß mit Originalklinge und ASA-Gefäß mit Original) verwendet Klinge). FT4-Tests werden im folgenden Unterabschnitt „Massenmaterialtests“ beschrieben.

Die 3D-Drucktechnologie Fused Filament Fabrication (FFF) erzeugt Teile Schicht für Schicht. Eine Folge der Schichtung ist das Vorhandensein von Poren und Heterogenitäten, die ein anisotropes Verhalten und eine bevorzugte Rissorientierung verursachen25. Die Widerstandsfähigkeit von Teilen gegenüber mechanischer Beschädigung hängt von der Ausrichtung der abgeschiedenen Schichten ab26,27,28. Daher ist die Ausrichtung der Teile auf dem 3D-Druckerbett ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Herstellung von Komponenten29,30,31. Die Ausrichtung der Messgeräte wurde entsprechend gewählt, wie in Abbildung 2 dargestellt, und die konstruktiven Änderungen wurden an den Messgeräten vorgenommen, um Schäden durch mechanische Belastung zu verhindern. Abbildung 2 dient der Veranschaulichung und zeigt die Schichtung der Teile von unten nach oben. Das Bild zeigt nicht das Stützmaterial, die Stützmaterialschnittstelle, die Schürze, die Brückenfüllung und den Überhangumfang. Die Schichten werden von unten nach oben gestapelt. Abbildung 2a zeigt Schulzes kleine Ringzelle, Deckel und Mitnehmerstifte. Abbildung 2b zeigt die Schichtung des unteren Teils, des oberen Teils und des Trichters des FT4. Abbildung 2c zeigt die Schichtung des FT4-Schafts mit Mutter, Scherkopf, Klinge und belüftetem Kolben.

(a) Die Schichtung der kleinen Schulze-Ringzelle (Größe S), des Deckels und der Antriebsstifte; (b) die Schichtung des unteren Teils, des oberen Teils und des Trichters des FT4; (c) die Schichtung des FT4-Schafts mit Mutter, Scherkopf, Klinge und belüftetem Kolben. Layering wurde mit PrusaSlicer Version 2.3.0 generiert. Diese Figur wurde in Gimp 2.10.32 erstellt.

Die kleine Ringzelle von Schulze (Größe S)32 wurde mit Bodenplatte als ein Stück gedruckt. Drei Stifte mit Presspassung wurden separat gedruckt, um die Zelle durch die Antriebsachse zu drehen. Der zum Schulze-Deckel passende kleine Ringküvette wurde als Einzelstück gedruckt. Die Scherstäbe32 wurden von 1 auf 2 mm verdickt und es wurden keine Schrauben verwendet. Das Design der Original-, der 3D-modellierten und der PLA-gefertigten Scherzelle mit Deckel ist in Abb. 1b dargestellt. Die gewogenen Teile, die gewogenen gedruckten Teile mit Trägern und deren beim Drucken verwendeter Füllanteil sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Original-Aluminium-Scherzelle wog 728,4 g und der Original-Aluminiumdeckel mit Edelstahl-Scherstäben wog 235,4 g. Die mit PLA gedruckten Teile wogen 2,6-mal weniger, und die mit ASA gedruckte Zelle wog fast dreimal weniger als die Originalteile. Für alle gedruckten Teile von Schulze wurde eine 100-prozentige Füllung verwendet. Die Gewichtsunterschiede sind auf unterschiedliche Materialdichten zurückzuführen. Aluminium hat eine Dichte von 2,7 g.cm-3, PLA-Filament hat eine Dichte von 1,24 g.cm-3 und ASA-Filament hat eine Dichte von 1,07 g.cm-3.

Das 3D-gedruckte FT4-Messset und das Original-Messset sind in Abbildung 3b und c dargestellt. Das Probengefäß von FT4 bestand ursprünglich aus fünf Teilen, die auf zwei Teile reduziert wurden. Das 3D-gedruckte Unterteil ersetzt das 85-ml-Gefäß mit einem Innendurchmesser von 48 mm, den abnehmbaren Boden, die Halterung, die es während der Messung an Ort und Stelle hält, und die drehbare Halterung für das Oberteil. Das 3D-gedruckte Oberteil ersetzt das obere 85-ml-Gefäß mit einem Innendurchmesser von 48 mm und ist schwenkbar auf dem Unterteil gelagert. Die ursprüngliche Gefäßbaugruppe aus zwei 85-ml-Gefäßen mit abnehmbarem Boden, einem Halter, der das gesamte Gefäß während der Messung an Ort und Stelle hält, und einem drehbaren Halter für den oberen Teil wog 291,8 g. Die ursprüngliche Gefäßbaugruppe zur Messung des Winkels der inneren Reibung unterschied sich durch einen abnehmbaren Boden zur Messung der inneren Reibung und wog 289,9 g. Aus PLA gedruckte Gefäßbaugruppen für Messungen der Kompressibilität und der inneren Reibung wogen etwa dreimal weniger als die Originalbaugruppen. Die von ASA gedruckten Gefäßbaugruppen wogen mehr als 3,3-mal weniger als die Originalbaugruppen.

Design der FT4-Instrumente (a) bedruckter Schaft, Klinge, belüfteter Kolben und Scherkopf des FT4; (b) PLA-gedrucktes FT4-Messset; (c) Original-FT4-Messset. Diese Figur wurde in Gimp 2.10.32 erstellt.

Der 3D-gedruckte Trichter hatte eine reduzierte Höhe, was keinen Einfluss auf die Messung hat. Der Originaltrichter besteht aus Kunststoff und wog 30,7 g. Der mit PLA bedruckte Trichter wog 25,8 g und der mit ASA bedruckte Trichter wog 22,2 g.

Die FT4-Messinstrumente wie Scherkopf, Klinge und belüfteter Kolben wurden in zwei Teilen 3D-gedruckt. Der erste Teil war die Welle mit der Mutter, die bei allen drei Messgeräten gleich war. Der Schaft war mit dem zweiten Teil durch das Ende eines Schafts mit quadratischem Querschnitt verbunden (Abbildung 3a). Durch diese Formverbindung wird ein Drehmoment übertragen, ohne dass sich die beiden Teile des Messwerkzeugs gegeneinander verdrehen. Durch die Fertigungspräzision des FFF-Druckverfahrens entstand eine leichte Überlappung, die das Zusammenfügen der beiden Teile von Hand ermöglichte, jedoch keinen Auswurfschutz erforderte. Die Schaftfüllung wurde mit 7 % gewählt, um die Verformung beim Drucken mit ASA-Filament zu überwinden. Der Füllaufbau verbessert geometrische Abmessungen und Toleranzen, wie z. B. den Rundlauf und den Gesamtschlag der Welle. Die zweiten Teile der Klinge, der belüftete Kolben und der Scherkopf wurden mit 15 % Füllung gedruckt. Um Schäden durch mechanische Belastung zu verhindern, wurden konstruktive Änderungen an den Instrumenten vorgenommen: Die Scherleisten des Scherkopfes wurden von 0,1 auf 0,8 mm und die Klinge von 0,7 auf 1,8 mm verdickt. Der 3D-gedruckte Scherkopf wurde als ein Stück gedruckt, sodass die Schrauben bei der Konstruktion nicht verwendet wurden. Die Klinge wurde weiter modifiziert, um ähnliche Kräfte und Drehmomente während der Konditionierung der gemessenen Proben sicherzustellen. Die Krümmung der Klinge wies eine geringere Biegung auf, was zu einem kleineren Winkel an jedem Ende der Klinge führte (Abbildung 3a). Das Ende der Originalklinge war in einem Winkel von 70 Grad gebogen, während das Ende der 3D-gedruckten Klinge nur in einem Winkel von 40 Grad gebogen ist.

Der Preis des 3D-Drucks hat seine Vorteile. Das Material für den 3D-Druck (PLA und ASA) ist im Vergleich zu Aluminium oder Edelstahl pro Kilogramm etwa dreimal teurer. Allerdings sind 3D-gedruckte Instrumente 2,5 bis 10 Mal leichter als die Originale. Unter Berücksichtigung der Produktionsabfälle ist der Unterschied im Materialgewicht sogar noch größer. Die Kosten variieren je nach den Bearbeitungskosten, der Komplexität der Bearbeitung und der Notwendigkeit, die Bearbeitungswerkzeuge zu wechseln. Im Gegensatz dazu ist der 3D-Druck vielseitiger, einfacher und weist ein geringeres Gewicht des Endprodukts auf. Die Produktionskosten der Originalinstrumente sind mindestens 30-mal höher als bei 3D-gedruckten Instrumenten.

Regolith ist ein terrestrischer Begriff, der auch für Materialien auf anderen Himmelskörpern verwendet wird. Heutzutage wird es als allgemeiner Ausdruck für eine Schicht fragmentierten Gesteinsmaterials verwendet. Die Bildung und Entwicklung von Regolith ist ein komplexer Prozess. Bei der Bildung von Mondregolith wurden zwei grundlegende Mechanismen bestimmt. Erstens destruktiv, also der Aushub vorhandener Regolithe durch Einschlagskrater, und zweitens konstruktiv, also das Hinzufügen neuer Schichten. Diese Prozesse führen zu sehr großen strukturellen und stratigraphischen Unterschieden im Regolith, selbst zwischen Standorten, die nur wenige Meter voneinander entfernt sind11.

Mondregolith-Simulanzpulver stammen von der Erde und basieren auf Proben, die durch Experimente analysiert wurden, die direkt auf dem Mond durchgeführt oder von der Erde aus fernüberwacht wurden11. Wie oben erwähnt, handelt es sich bei den in dieser Studie verwendeten Materialien um zwei Mond-Regolith-Simulanzien. Diese beiden Pulver wurden vom CLASS Exolith Lab hergestellt. Die in Abb. 4a gezeigten Simulanzien werden aus natürlichen terrestrischen Materialien in einer terrestrischen Umgebung hergestellt und daher können nicht alle Eigenschaften des Mondstutensimulanz (LMS-1) und des Mondhochlandsimulanz (LHS-1) kopiert werden. Der Hersteller garantiert Eigenschaften wie Mineralogie, Massenchemie und Partikelgrößenverteilung. Partikelform, Reaktivität, Oxidation und Verwitterung sind jedoch in den Simulanzien nur unzureichend simulierte Eigenschaften.

(a) Mondregolith-Simulant LHS-1 (oben) und LMS-1 (unten); (b) Schertestaufbau nach Schulze; (c) Schertestaufbau von FT4. Diese Figur wurde in Gimp 2.10.32 erstellt.

Obwohl der Hersteller eine Partikelgröße zwischen 0 und 1 mm garantiert, wurde eine granulometrische Analyse durchgeführt. Der Laseranalysator Cilas 1190 (Cilas, Orleans, Frankreich) wurde verwendet, um die Partikelgrößenverteilung mit der Fraunhofer-Beugungsmethode zu messen31. Als Messmedium wurde Wasser verwendet, da sich weder LHS-1 noch LMS-1 in Wasser lösten. Während der Messungen wurde Ultraschall eingesetzt, um eine vollständige Dispersion der Probe sicherzustellen. Die im Medium dispergierte Probe wurde mit kohärentem Licht mit einer Wellenlänge von 830 nm von einer Laserdiode geringer Leistung gemessen. Die resultierenden Werte wurden direkt im Cilas-Gerät ausgewertet33,34. Die Interpretation basierte auf der Theorie von Fraunhofer35. Jede Probe wurde dreimal gemessen, daher sind die resultierenden Parameter die Durchschnittswerte von dmean, d10, d50 und d90.

Die Partikelform ist eine Eigenschaft eines Schüttgutes, die dessen Verhalten bei der Gewinnung, Verarbeitung und Lagerung beeinflusst. Wie oben erwähnt, versucht der Hersteller von Mond-Regolith-Simulanzien nicht, exakte Partikelformen zu simulieren. Der Mondregolith wird durch verschiedene Prozesse gebildet, die auf die ständigen Einwirkungen kleiner und großer Asteroiden zurückzuführen sind und nur unter den luftleeren Bedingungen auf dem Mond zu finden sind11. Daher dient die in diesem Artikel vorgestellte Beurteilung der Partikelformen nur der Veranschaulichung und basiert auf Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM).

Um die Leistungsfähigkeit der gedruckten Messgeräte zu testen, wurden folgende Tests durchgeführt. Um die Messstabilität der gedruckten Instrumente zu überprüfen, verwendeten wir auch 3D-gedruckte Instrumente in Kombination mit Originalinstrumenten aus Edelstahl und Originalinstrumenten aus Stahl.

Schereigenschaften zeigen, wie leicht Partikelmaterial fließt. Damit es zu einem Partikelmaterialfluss kommt, muss die Fließgrenze überwunden werden. Die Fließgrenze wird stark von mechanisch-physikalischen Eigenschaften der Partikel wie Oberflächenbeschaffenheit, Form und Größe beeinflusst. Andere Variablen wie der Feuchtigkeitsgehalt, Van-der-Waals-Kräfte oder die Menge an Fließzusatz wirken sich ebenfalls auf den Schüttgutfluss aus. Die Schereigenschaften von Schüttgütern werden bei der Konstruktion von Handhabungs-, Lager- und Prozessanlagen genutzt.

Die Fließeigenschaften von Schüttgütern werden in verschiedenen Anwendungen36 verwendet und üblicherweise als linearisierter Winkel der inneren Reibung (LAIF, ϕ), effektiver Winkel der inneren Reibung (EAIF, δ) und Fließfunktion ffc quantifiziert, um das Verhalten des Schüttguts zu beschreiben37. Die Werte von EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc und Kohäsion c wurden mit dem Schulze Ring Shear Tester RST-01.pc (Wolfenbüttel, Deutschland, Abb. 4b) und dem FT4 Powder Tester von Freeman (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire) gemessen , UK, Abb. 4c38. Die wichtigsten überwachten Parameter sind EAIF (δ), LAIF (ϕ), Kohäsion c und Flussfunktion ffc39,40.

Die Messungen von AIF (δ, ϕ), ffc und c ergaben eine Normalspannung vor der Scherung von 10.000 Pa, Scherpunkte mit Normalspannungen von 250 Pa, 500 Pa, 1.000 Pa, 2.500 Pa, 5.000 Pa und 7.500 Pa. Die resultierenden Werte für AIF (δ, ϕ), ffc und Kohäsion c waren der Durchschnitt von zehn Messungen. Zwölf Messkombinationen wurden für zwei Messgeräte, zwei Mondregolithsimulanzien (LHS-1 und LMS-1) und drei Messsatzmaterialien (Stahl und additive Kunststoffmaterialien) durchgeführt, was insgesamt 120 Messungen ergab. Die Methoden zur Messung von AIF (δ, ϕ), ffc und c waren Rotationsmethoden. Allerdings gab es in der Scherzelle unterschiedliche Messverfahren und -eigenschaften. Ein aktueller Vergleich zeigte, dass mit FT436 in den meisten Fällen niedrigere Werte für EAIF (δ), LAIF (ϕ) und ffc erhalten werden. Aufgrund der unvergleichlichen Geometrie, Flächenverhältnisse und Zellgrößen unterscheidet sich das Gesamtprobenvolumen. Im Allgemeinen ist dieses Verhalten auf die Eigenschaft von Schüttgütern zurückzuführen, dass das Schüttgut durch kleinere Querschnitte schlechter fließt.

Die Ringscherzelle und der Deckel von Schulze sowie das Probengefäß, der Trichter, die Klinge, der belüftete Kolben und der Scherkopf von FT4 wurden aus PLA- und ASA-Filamenten in 3D gedruckt. Die gedruckten Instrumentendesigns und ihre Modifikationen werden im Abschnitt „Druckgeräte zur Herstellung von geschmolzenem Filament“ beschrieben. Alle 3D-gedruckten Teile wurden vor der Messung entsprechend kalibriert, da sie aufgrund ihres geringeren Gewichts weniger Druck ausüben.

Die Kompressibilität ist eine Eigenschaft von Schüttgütern, die die Änderung der Schüttdichte in Abhängigkeit vom Konsolidierungsdruck angibt. Bei der Kompressibilitätsmessung handelt es sich weder um eine Schereigenschaft noch um eine Fließeigenschaft des Schüttgutes, sondern sie ist von ähnlichen Größen abhängig. Diese Eigenschaft wird durch die Partikelgrößenverteilung, den Zusammenhalt, die Partikeloberflächentextur, die Partikelform und die Partikelsteifigkeit beeinflusst. Die Kompressibilität ist eine wichtige Eigenschaft für die Konstruktion von Prozessanlagen wie Silos, Förderbändern, Mischern, Verdichtungsanlagen und Tablettenpressen41.

Die Kompressibilität wurde mit dem Pulverrheometer FT4 von Freeman Technology mit Standard-Kompressibilitätstest42 gemessen. Der Standardtest ermittelte Daten, indem er die prozentuale Kompressibilität für eine auf die Probe ausgeübte normale Last von 0,5 bis 15 kPa ausdrückte. Proben von Mondregolith-Simulanzien wurden im 85-ml-Probengefäß mit einem Durchmesser von 50 mm gemessen. Es wurden belüftete Kompressionskolben mit einem Durchmesser von 47,5 mm und eine Klinge mit 48 mm verwendet.

Diese Designänderungen wurden im Abschnitt „Fused Filament Fabrication“-Druckgeräte beschrieben. Für jeden Instrumentensatz (Original-Edelstahl, PLA-gedruckt, ASA-gedruckt) wurden 10 Messungen durchgeführt.

Der Stabilitätsindex (SI), der Fließgeschwindigkeitsindex (FRI) und die Grundfließfähigkeitsenergie (BFE) wurden mit dem FT4-Pulverrheometer von Freeman auf die zuvor beschriebene Weise analysiert (Freeman Technology, Tewkesbury, Gloucestershire, UK)42. Die SI-, FRI- und BFE-Messungen werden mit der standardisierten Testvoreinstellung im FT4-Pulverrheometer durchgeführt. Die SI- und FRI-Messungen wurden in einem 65-ml-Gefäß durchgeführt. Für jeden Satz Instrumentenmaterialien (Original-Edelstahl, PLA-gedruckt, ASA-gedruckt) und deren Kombinationen (Originalgefäß mit PLA-Klinge, Originalgefäß mit ASA-Klinge, PLA-Gefäß mit Originalklinge und ASA-Gefäß mit Originalklinge) wurden fünf Messungen durchgeführt. .

Der Stabilitätsindex (SI) eines Pulvers42 zeigt die bedingten Fließeigenschaften unter Einwirkung von Kräften während des Fließens, die sich aufgrund der Neigung des Pulvers zur Agglomeration, zum Zusammenbacken und zum Abrieb ändern können. Das SI-Programm misst das Partikelmaterial durch eine Konditionierungssequenz, gefolgt von einem Testzyklus. Die Testzyklen werden sieben Mal wiederholt. Die sieben Messpunkte bilden eine gerade Linie, und je stabiler das Pulver, desto gerader die Linie. Der SI ist definiert als das Verhältnis der während Test 7 verbrauchten Energie zur während Test 143 verbrauchten Energie. Je mehr sich der SI 1 nähert, desto stabiler ist das gemessene Pulver. Wenn der SI > 1 ist, wird das gemessene Pulver durch Feuchtigkeitsaufnahme, Entmischung, Agglomeration, Entlüftung und elektrostatische Aufladung beeinflusst. Wenn der SI < 1 ist, wird das gemessene Pulver durch Übermischung, Desagglomeration, Abrieb und Additivbeschichtung der Klinge und des Behälters beeinträchtigt42.

Die Variable FRI42 wird als abnehmender Durchfluss an den Messpunkten 8 bis 11 gemessen, wobei die Durchflussrate der Schaufel von 100 mm.s-1 auf 10 mm.s-1 abnimmt. Der FRI der Klinge gibt die Empfindlichkeit des gemessenen Pulvers an und wird als Durchflussratenindex (FRI) ausgedrückt. Nicht kohäsive Pulver zeigen weniger empfindliche Änderungen für den FRI, der als Verhältnis des Energietests 11 zum Energietest 842 definiert ist. Der FRI < 1 weist Pulver mit extrem gutem Fließverhalten auf. Beim FRI = 1 handelt es sich um Pulver mit einer Oberflächenbeschichtung oder einer großen Partikelgrößenverteilung, die sie unempfindlich gegenüber veränderten Durchflussraten macht. Die meisten gemessenen Pulver haben eine Durchflussratenempfindlichkeit von 3 > FRI > 1,5. Wenn der FRI > 3 ist, reagiert das Pulver übermäßig empfindlich auf veränderte Durchflussraten43.

Die Basic Flowability Energy (BFE)42 ist eine Eigenschaft, die durch die für Punkt 7 während des standardisierten variablen Durchflusstests verbrauchte Energie definiert wird, die der Fließenergie43 entspricht. Die durch die spezifische Strömung verbrauchte Energie wird im exakten Volumen des Gefäßes erzeugt, wenn sich die Schaufel nach unten bewegt.

Die Partikelgrößenverteilungen der Regolith-Simulanzien LHS-1 und LMS-1 sind in Abbildung 5 dargestellt und die Werte von dmean, d10, d50 und d90 sind in Tabelle 2 angegeben.

Die Partikelgrößenverteilung (differentiell und kumulativ) für LMS-1- und LHS-1-Regolith-Simulanzien.

Bei beiden Simulanzien waren alle Partikel kleiner als 500 µm. LHS-1 hatte kleinere Partikel als LMS-1, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Parameter dmean, d10, d50 und d90 zeigen, dass der Unterschied in der Partikelgröße auf eine größere Darstellung einer größeren Fraktion von 80 bis 400 µm zurückzuführen ist. Die REM-Aufnahmen ergänzen die Charakterisierung von LMS-1 und LHS-1 angemessen (Abbildung 6). Die Fotos zeigen die facettierte Winkelform der Mondregolith-Simulanzpartikel.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Fotos von Mondregolith-Simulanten (a) LMS-1 und (b) LHS-1.

Die Werte von EAIF (δ), LAIF (ϕ), Fließfunktion ffc und Kohäsion c sind gemittelte Werte aus 10 Messungen. Tabelle 3 zeigt EAIF (δ) mit Standardabweichung (SDδ), seinem Maximalwert (δmax) und seinem Minimalwert (δmin), LAIF (ϕ) mit Standardabweichung (SDϕ), Maximalwert (ϕmax) und seinem Minimalwert (ϕmin). Tabelle 4. zeigt die Flussfunktion ffc mit Standardabweichung (SDffc), ihren Minimalwert (ffcmin) und Maximalwert (ffcmax), die Kohäsion c mit Standardabweichung (SDc), ihren Minimalwert (cmin) und ihren Maximalwert (cmax). Wie aus den Tabellen (unten) ersichtlich ist, wurden die Daten in zwei Teile aufgeteilt, die obere Hälfte mit der LMS-1-Probe und die untere Hälfte mit der LHS-1-Probe. Jede Tabellenhälfte basiert auf RST- und FT4-Messungen der entsprechenden Kombination aus Regolithsimulanz und Scherinstrumentensatz.

Der Vergleich zwischen RST- und FT4-Messmethoden sollte nicht eindeutig erfolgen. Die Werte von EAIF (δ), LAIF (ϕ), ffc und c entsprachen der Größe der Scherfläche und waren beim RST größer (8482 mm2) und beim FT4 kleiner (1879 mm2)44. Ein Vergleich der standardmäßigen RST- und FT4-Schertestmethoden zwischen LMS-1- und LHS-1-Regolithsimulanzien zeigte jedoch eine etwas bessere Fließfähigkeit des LHS-1-Pulvers. Die resultierenden Fließeigenschaften von LHS-1 sind auf den größeren Anteil an Partikeln unter 80 µm im Pulver zurückzuführen. Die kleineren Partikel wirken als Schmiermittel, das es den größeren Partikeln ermöglicht, sich in eine Position zu drehen, in der sie sich bewegen können. Kohäsion c zeigt den Makroeffekt der Fließeigenschaften der Pulver.

Die Korrelation zwischen LMS-1 und LHS-1 ist interessant, da das erstere Pulver schlechtere Vergleichsergebnisse für verschiedene Materialinstrumentensätze aufwies. Die Ergebnisse der Messungen des LMS-1-Pulvers auf RST mit der Original-Aluminium-Scherzelle und dem Deckel zeigten eine etwas schlechtere Fließfähigkeit als die Messungen mit den mit PLA und ASA bedruckten Scherzellen und Deckeln. Dies zeigt sich an den niedrigeren ffc-Werten und höheren EAIF (δ)- und LAIF (ϕ)-Werten, die mit dem Originalsatz im Vergleich zu den 3D-gedruckten Instrumentenmessungen gemessen wurden. Die von ASA gedruckte Scherzelle und der Deckel zeigten die kleinste Standardabweichung für EAIF (δ) und LAIF (ϕ). Obwohl der Standardabweichungswert für ffc für das ursprüngliche Instrumentenset am kleinsten war, war der Unterschied zu anderen Materialsets vernachlässigbar. Die auffälligste Beobachtung, die sich aus dem Datenvergleich ergab, war das auf FT4 gemessene LMS-1-Pulver. Die Unterschiede zwischen AIF (δ, ϕ) betrugen bis zu 3° und der Unterschied im ffc betrug bis zu 2°. Allerdings sind die etwas schlechteren EAIF (δ) und ffc des LMS-1, gemessen auf FT4, auf den kleineren Querschnitt des Schergefäßes zurückzuführen.

Interessanterweise wurde für das LHS-1-Pulver eine gute Korrelation der am RST gemessenen Ergebnisse zwischen allen drei Kombinationen der Scherzellen- und Deckelmaterialien beobachtet. Der schlechteste FFC wurde am RST mit Originalinstrumenten für LHS-1-Pulver gemessen, der Unterschied zu den anderen Materialinstrumentensätzen war jedoch vernachlässigbar. Auch bei LHS-1-Pulvermessungen auf FT4 konnte eine signifikant positive Korrelation zwischen allen drei Messgerätesätzen festgestellt werden. Die am FT4 gemessenen FFC-Werte zeigten beim Vergleich verschiedener Materialinstrumentensätze die beste Korrelation aller Messungen.

Wir wenden uns nun den experimentellen Ergebnissen der Kohäsion c zu, die eine Korrelation mit den Abweichungen von EAIF (δ), LAIF (ϕ) und ffc zeigen. Das LMS-1-Pulver zeigt signifikante Unterschiede in den Ergebnissen der Kohäsion c. Die gemessenen Ergebnisse der Kohäsion c sind etwas kontraintuitiv. Dies ist auf die verringerten Werte zurückzuführen, die beim RST mit den gedruckten PLA- und ASA-Instrumenten gemessen wurden, aber auf die erhöhten Werte, die beim FT4 mit den gedruckten PLA- und ASA-Instrumenten im Vergleich zu den ursprünglichen Instrumentensätzen für beide Geräte gemessen wurden.

Die in Abb. 7 dargestellten resultierenden Werte wurden aus zehn Messungen der prozentualen Volumenänderung nach der Kompression gemittelt. Die dargestellten Kompressibilitätskurven zeigen eine hohe Übereinstimmung beim Vergleich von Original- und 3D-gedruckten Instrumenten. Das LHS-1-Pulver mit feineren Partikeln hatte eine höhere Kompressibilität. Bei einer angelegten Normalspannung von 15 kPa änderte sich sein Volumen um mehr als 10 %. Das LMS-1-Pulver zeigte eine Kompressibilität von über 6 % bei einer angelegten Normalspannung von 15 kPa.

Kompressibilität von LMS-1- und LHS-1-Pulvern, gemessen mit originalen und 3D-gedruckten Instrumenten.

Ziel der Studie war es, den Einfluss von 3D-gedruckten Instrumenten und Gefäßen auf die gemessenen Kompressibilitätswerte zu untersuchen. Die Werte zeigten vernachlässigbare Abweichungen, wie in Abb. 7 dargestellt. Eine unerwartete Erkenntnis war, dass die Scherung des Pulvers nach der anfänglichen Konditionierung den größten Einfluss auf das Messergebnis hatte. Wenn diese Scherung des Pulvers in der Ebene nicht nahezu perfekt erfolgte, war das spätere Ergebnis deutlich anders. Dieser Befund gilt sowohl für das Originalgefäß als auch für das 3D-gedruckte Gefäß. Allerdings wiesen die 3D-gedruckten Gefäße eine etwas schlechtere Oberflächenebenheit in der Scherebene auf, was den Effekt verstärkte und die Notwendigkeit einer perfekten Scherung des Pulvers verstärkte. Es ergibt sich eine signifikante positive Korrelation zwischen der Durchmessergröße des 3D-gedruckten belüfteten Kolbens und der Kompressibilität. Aufgrund der Schrumpfung während des 3D-Drucks wurde die Durchmessergröße im CAD-Modell geändert, um sie an den ursprünglichen belüfteten Kolben nach dem 3D-Druck anzupassen.

Die Ergebnisse der Abhängigkeit der während der Tests verbrauchten Energie von der Blattspitzengeschwindigkeit sind in Abb. 8 dargestellt. Die Ergebnisse sind der Durchschnitt aus 5 Messungen. Beide Pulver zeigten sehr stabile Werte des Stabilitätsindex (SI). Die Werte des Flussratenindex (FRI) zeigten jedoch ein unterschiedliches Verhalten für die beiden Regolithe. Der bedeutendste Unterschied bestand im Energieverbrauch während der Tests, wobei der LMS-1-Pulverregolith einen viel höheren BFE [mJ] aufwies als der LHS-1-Pulverregolith.

Durchschnittliche Ergebnisse für die standardisierten Tests Stabilitätsindex, Durchflussindex und Grundfließfähigkeitsenergie – links LMS-1, – rechts LHS-1.

Die größte SI-Abweichung für die LMS-1-Messung gab es im Originalgefäß mit einer ASA-gedruckten Klinge, wo SI = 1,00 mit einer Standardabweichung von weniger als σSI = 0,024, der Minimalwert von SImin = 0,96 und der Maximalwert von SImax = 1,02. Die anderen LMS-1-Messungen hatten einen durchschnittlichen SI-Wert von 0,97 < SI < 1,02, eine Standardabweichung von weniger als σSI = 0,02, den Minimalwert SImin = 0,95 und den Maximalwert SImax = 1,04. Ähnliche SI-Werte wurden für den LHS-1-Pulverregolith gemessen. Die größte Abweichung bei der SI-Messung gab es für das ASA-gedruckte Gefäß mit der Originalklinge, wo der Durchschnittswert SI = 1,01 eine Standardabweichung von weniger als σSI = 0,038 hatte, der Minimalwert SImin = 0,97 und der Maximalwert SImax = 1,08. Für die anderen LHS-1-Messungen betrug der durchschnittliche SI weniger als 0,97 < SI < 1,02, die Standardabweichung kleiner als σSI = 0,029, der Minimalwert SImin = 0,94 und der Maximalwert SImax = 1,03.

Obwohl SI für beide Pulver eine ähnliche Stabilität zeigte, zeigte das FRI ein unterschiedliches Verhalten. Die größte Abweichung bei der FRI-Messung des LMS-1-Pulverregoliths gab es für das Originalgefäß mit ASA-gedruckter Klinge, wobei der Durchschnittswert von FRI = 1,20 mit der Standardabweichung weniger als σFRI = 0,034, der Minimalwert FRImin = 1,16 und der Maximalwert FRImax = 1,24. Die anderen LMS-1-Messungen hatten einen durchschnittlichen FRI-Wert von 1,17 < FRI < 1,23, eine Standardabweichung von weniger als σFRI = 0,015, einen Minimalwert FRImin = 1,15 und einen Maximalwert FRImax = 1,23. Die FRI-Messung des LHS-1-Pulverregoliths zeigte einen Unterschied, wobei der durchschnittliche FRI-Wert im Bereich 1,56 < FRI < 1,76 lag, die Standardabweichung weniger als σFRI = 0,036 betrug, der Minimalwert FRImin = 1,54 und der Maximalwert FRImax = betrug 1,81. Das LMS-1-Pulver zeigte eine geringere Empfindlichkeit als das LHS-1-Pulver.

Die BFE-Werte (Basic Flowability Energy) zeigten die Abhängigkeit der Schaufelspitzengeschwindigkeit von 100 mm.s-1 vom Energieverbrauch während des Tests 7. Es wurde eine starke Korrelation zwischen der Gefäßherstellungstechnik und dem Energieverbrauch während des Tests festgestellt. Aufgrund der Schichtung des Gefäßes, die beim 3D-Druck entsteht, erhöht sich der Energieverbrauch. Eine ausführlichere Beschreibung der Modifikation und des 3D-Drucks finden Sie im Abschnitt „Fused Filament Fabrication“-Druckgeräte.

Die BFE-Messungen des LMS-1-Pulvers mit dem Originalgefäß ergaben Durchschnittswerte im Bereich von 4.843 mJ < BFE < 5.092 mJ, mit der Standardabweichung σBFE = 200 mJ, dem Minimalwert BFEmin = 4.692 mJ und dem Maximalwert Wert BFEmax = 5 291 mJ. Bei der Messung in den 3D-gedruckten Gefäßen stiegen die BFE-Werte um 1.435 mJ auf Durchschnittswerte im Bereich von 6.277 mJ < BFE < 6.487 mJ, mit der Standardabweichung σBFE = 172 mJ, dem Minimalwert BFEmin = 6.133 mJ und der Maximalwert BFEmax = 6 777 mJ.

Die Messungen des LHS-1-Pulvers zeigten einen ähnlichen Anstieg des Energieverbrauchs für das nicht originale Gefäß. Die durchschnittlichen BFE-Werte für das Originalschiff lagen im Bereich von 2.473 mJ < BFE < 2.658 mJ, mit der Standardabweichung σBFE = 81 mJ, dem Minimalwert BFEmin = 2.382 mJ und dem Maximalwert BFEmax = 2.749 mJ. Die durchschnittlichen BFE-Werte stiegen um 976 mJ, wenn sie in den 3D-gedruckten Gefäßen gemessen wurden, was einen Bereich von 3.422 mJ < BFE < 3.617 mJ ergibt, mit der Standardabweichung σBFE = 162 mJ, dem Minimalwert BFEmin = 3.291 mJ und dem Maximalwert Wert BFEmax = 3 837 mJ. Die in den 3D-gedruckten Gefäßen gemessenen durchschnittlichen BFE-Werte könnten durch eine Behandlung der Innenoberfläche des Gefäßes nach dem 3D-Druck verbessert werden. Dieser Vergleich zeigte jedoch, dass das Gefäßmaterial und die Herstellungsmethode von Bedeutung sind.

Ziel dieser Studie war es, die Möglichkeit zu untersuchen, mit Messgeräten, die im Materialextrusions-3D-Druckverfahren hergestellt werden, ausgewählte mechanisch-physikalische Eigenschaften von Schüttgütern unter extremen Bedingungen zu messen. Diese Studie zeigte, dass die verwendeten Messmethoden, wie der Schulze-Ringschertest, der FT4-Schertest, der FT4-Kompressibilitätstest und der FT4-Durchfluss- und Stabilitätstest, mit austauschbaren Messgeräten durchgeführt werden können. Diese Problematik hat jedoch ihre Probleme, und es ist wichtig, sich über die Vor- und Nachteile im Klaren zu sein und zu wissen, welche Ergebnisse wie davon beeinflusst werden. Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der für die Messgeräte verwendeten Materialien zwischen Original (Stahl oder Glas) und 3D-Druck (Kunststoffe) stellt sich die Frage nach der Beeinflussung des Messvorgangs. Dies betrifft insbesondere die Oberflächenrauheit und -steifigkeit. Oberflächenrauheit und Steifigkeit sind durch das 3D-Druckverfahren in gewissen Grenzen einstellbar. Darüber hinaus kann die Triboaufladung bei einigen Materialtypen ein entscheidender Parameter sein und die Messergebnisse beeinflussen, beispielsweise bei sehr leichten und kleinkörnigen Materialien. Im Rahmen unserer Untersuchungen wurde kein signifikanter Effekt der Triboaufladung angenommen. Die Scherzelle und der Deckel32 von Schulze waren bei Verwendung von PLA-gedruckten Instrumenten mindestens 2,5-mal leichter als die ursprünglichen Messgeräte und bei Verwendung von ASA-gedruckten Instrumenten mehr als dreimal leichter als die Originale. Die 3D-gedruckte Scherzelle und der Deckel von Schulze könnten aufgrund der Abhängigkeit vom Prozentsatz der Füllung, der bei geringerer normaler Belastung sinken könnte, sogar noch leichter sein. Die Schiffe des 3D-gedruckten FT4 waren mehr als 2,6-mal leichter als die ursprünglichen Schiffsbaugruppen42. Die Messgeräte des 3D-gedruckten FT4 waren mehr als viermal leichter als die ursprünglichen Messgeräte, und die von ASA gedruckte Klinge und der Scherkopf waren sogar mehr als zehnmal leichter.

Bei der Wahl der 3D-Druckmethode haben wir uns für die FFF-Methode entschieden, da wir uns für eine kostengünstige und einfache Option entschieden haben. Die FDM-Methode wurde von der Firma Stratatys patentiert. Im Vergleich zum FFF ist der FDM-Druck präziser, hat eine bessere Oberflächenqualität und die Teile haben bessere mechanische Eigenschaften. Der Nachteil ist der hohe Preis und die Notwendigkeit, immer ein lösliches Trägermaterial zu verwenden. Die meisten Vorteile sind auf die geschlossene Druckkammer zurückzuführen, die es ermöglicht, die Innentemperatur aufrechtzuerhalten (z. B. 90 °C für ABS). Diese Art von Druckumgebung wird als Heiß-Heiß-Heiß-Druckbett (Düsen-Luft-beheiztes Bett) bezeichnet, im Gegensatz zur FFF-Heiß-Kalt-Heiß-Umgebung. Es führt zu besseren mechanischen Eigenschaften, wobei die Haftung zwischen den Schichten gestärkt wird und ein Verziehen und Einrollen der gedruckten Teile verhindert wird16.

Die standardisierten Methoden der Partikelmaterialmessung lassen sich nur sehr schwer genau an schwer zugänglichen Orten reproduzieren, beispielsweise in Nicht-Laborumgebungen im Feld oder auf außerirdischen Körpern. Diese Art von Messungen wird immer von den Labormessungen beeinflusst und von diesen abweichen. Die Methodik verfügt jedoch über grundlegende Grundlagen, die erhalten bleiben sollten. Diese Grundlagen basieren auf Software und Maschinenhardware, wie z. B. Stahlbewegungsrichtlinien, Dehnungsmessstreifen, Materialwägung und Programmauswertung, und sollten nicht geändert oder modifiziert werden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit diesen Labormessungen aufrechtzuerhalten.

Wie oben erwähnt, basieren die Mondsimulationspulver auf der Erde und simulieren Mineralogie, chemische Zusammensetzung und Partikelgrößenverteilung. Aufgrund der schlechten Simulation der Partikelform und der Verwitterung können die Ergebnisse jedoch nicht als Informationen für die Konstruktion von Lager-, Handhabungs- und Prozessanlagen anderswo als auf dem Planeten Erde verwendet werden.

Die ersten nicht-laboratorischen und außerirdischen In-situ-Messungen wären indikativ. Weitere Messungen werden jedoch die Möglichkeit bieten, Messergebnisse zu vergleichen und so die Gestaltung und Optimierung von Prozess- und Handhabungsgeräten auf außerirdischen Körpern zu ermöglichen. Die Forschung führt zu folgenden wesentlichen Schlussfolgerungen:

Die mit FFF-Technologie 3D-gedruckte Klinge ist keine perfekte Kopie. Die Fertigungstechnologie verfügte nicht über eine ausreichend hohe Präzision, um eine geometrisch identische Schaufelkrümmung zu erzeugen. Die Oberflächenglätte war nicht gut und die Oberflächenschichtung des gekrümmten Teils war mit bloßem Auge erkennbar. Wie oben erwähnt, wurde der Klingenwinkel gegenüber dem Original geändert. Es wurden Änderungen vorgenommen, um die mechanische Belastung während der Messung aufrechtzuerhalten und einen ähnlichen Torsionswiderstand zu messen. Durch die Glättung der Schaufeloberfläche veränderten sich die Messwerte des Stabilitätsindex (SI) und des Durchflussindex (FRI) leicht. Nach zwei ersten Messungen stabilisierten sich die Messwerte jedoch und die Werte der ersten Tests wurden nicht in die Ergebnisse einbezogen.

Für die Bewertung von 3D-gedruckten Messgeräten, wie Design, Funktionalität, Druckbarkeit, wurde das PLA-Filament als günstiges und einfach zu druckendes Filament ausgewählt. Obwohl das ASA-Filament schwieriger zu drucken und teurer als PLA ist, ist es aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften, UV- und Farbbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und geringeren Dichte als PLA eine gute Wahl für den Laboraufbau in einer raueren Umgebung. In extremen Umgebungen sollte die Prozessausrüstung jedoch auf die tatsächlichen mechanisch-physikalischen Eigenschaften des Schüttguts ausgelegt sein. Daher könnte ein besseres Filamentmaterial erforderlich sein. Derzeit werden Filamente aus PolyEtherEtherKeton (PEEK) hergestellt, das ein mit Edelstahl vergleichbares Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und außergewöhnliche thermische Eigenschaften aufweist. Das Material hält thermischen Wechseln in Vakuumkammern, die für Weltraumqualifikationstests, Strahlung oder Verschleiß verwendet werden, stand. Das Material erfordert die Drucktechnologie Fused Deposition Modeling (FDM) mit Düsentemperaturen um 400 °C und wird in der Raumfahrtindustrie, Luftfahrt, Ölindustrie und im fortgeschrittenen Maschinenbau eingesetzt.

Wie oben erwähnt, hängt der Standard-Kompressibilitätstest stark von der richtigen Scherung des Partikelmaterials im Behälter nach der anfänglichen Konditionierung ab. Die Ebenheit der Oberfläche ist abhängig vom Druckverfahren und kann zu unterschiedlichen Kompressibilitätswerten führen, wenn die Scherung in der Ebene nicht korrekt durchgeführt wird. Darüber hinaus wurde der Durchmesser des 3D-gedruckten Kolbens im CAD-Modell aufgrund der Schrumpfung geändert, um dem ursprünglichen Durchmesser nach dem 3D-Druck zu entsprechen.

Die Messungen des Durchflussratenindex (FRI) und des Stabilitätsindex (SI) zeigen eine Abhängigkeit vom Gefäßmaterial und der Gefäßherstellungsmethode. Allerdings wurde nur die Basic Flow Energy (BFE) durch den Anstieg des Energieverbrauchs während der Tests negativ beeinflusst. Die FRI- und SI-Ergebnisse blieben stabil und wiederholbar, wenn 3D-gedruckte Gefäße verwendet wurden und der Energieverbrauch während der Tests stieg.

Für das 3D-gedruckte Messgerät sollte ein geeignetes Filamentmaterial verwendet werden, das eine ausreichende chemische Beständigkeit für das zu messende Schüttgut aufweist. Darüber hinaus sollte ein geeignetes Filamentmaterial verwendet werden, um der mechanischen Belastung während der Messung standzuhalten. Schließlich sollte das Filamentmaterial UV- und Strahlungsstabilität für die Umgebung aufweisen, in der das Partikelmaterial gemessen wird.

Zusammenfassend waren die größten Nachteile der 3D-gedruckten Messgeräte eine höhere Messfehlerrate aufgrund der mechanischen Fehler (Interferenz zwischen FT4-Klinge, Scherkopf und belüftetem Kolben), etwas höhere Messabweichungen und Herstellungsmängel, die durch zusätzliche Nachbearbeitung reduziert werden können. Verarbeitung nach dem Druck.

Die größten Vorteile der 3D-gedruckten Messgeräte waren das geringere Gewicht, die Möglichkeit, einen Satz vorab oder vor Ort zu drucken, ein beschädigtes Teil bei Bedarf durch ein neues 3D-gedrucktes Teil zu ersetzen, wenn extrem schnelle Ergebnisse benötigt werden, oder aufgrund der logistischen Nichtverfügbarkeit, der Anpassung der standardisierten Tests zum besseren Verständnis des Verhaltens der Partikelmaterialien und der günstigeren Herstellungskosten (mindestens 30-mal niedriger im Fall des FFF-Druckverfahrens).

Insgesamt bestätigte diese Studie die Vorstellung, dass die Messung mechanisch-physikalischer Eigenschaften an Orten erfolgt, an denen ein geringes Gewicht von entscheidender Bedeutung ist, an denen austauschbare Instrumente zur Messung von Näherungswerten erforderlich sind und an denen ein schnelles Ergebnis wichtiger ist als ein äußerst präzises Ergebnis. Das 3D-Druckverfahren ist für den Werkzeugbau vor Ort deutlich vielseitiger als herkömmliche Verfahren zur Bearbeitung von Stahl etc. Dadurch können wir schnell auf konkrete Extrembedingungen reagieren, die nicht immer genau vorhersehbar sind.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch den Promotionsstipendienwettbewerb VSB – Technische Universität Ostrava im Rahmen des Operationellen Programms Forschung, Entwicklung und Bildung im Rahmen des Projekts „Forschung und Entwicklung innovativer Geräte für die Kalibrierung und Validierung von DEM-Simulationen von Partikeln im Bereich der mechanischen Zerkleinerung“ unterstützt Prozesse und Abrieb“ [Förderungsnr. CZ.02.2.69/0.0/0.0/19_073/0016945-DGS/TEAM/2020-003, 2021] und im Zusammenhang mit dem Projekt Innovative und additive Fertigungstechnologie – neue technologische Lösungen für den 3D-Druck von Metallen und Verbundwerkstoffen, [Förderung NEIN. CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008407] finanziert durch Structural Founds of Europe Union und Projekt SP2019/101 – Forschung, Wissenschaft und Entwicklung in einem Transport – Verkehrssimulationen, Adhäsionsmodelle, Speicherprozesse.

ENET-Zentrum, Schüttgutzentrum, VSB-TU Ostrava, 17. November 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, Tschechische Republik

Jan Divis, Jakub Hlosta, Jan Necas und Jiri Zegzulka

Abteilung für Bergbautechnik und Sicherheit, Fakultät für Bergbau und Geologie, VSB-TU Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33, Ostrava-Poruba, Tschechische Republik

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

Abteilung für Maschinen und technische Systeme, Fakultät für Maschinenbau, Universität für Wissenschaft und Technologie Bydgoszcz, Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796, Bydgoszcz, Polen

Weronika Kruszelnicka

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Konzeptualisierung, DJ und RJ, NJ, ZJ; Methodik, DJ, HJ und RJ; formale Analyse, HJ, RJ und Ž.D.; Untersuchung, DJ, HJ, RJ, Ž.D., NJ, ZJ; Datenkuration, DJ und RJ; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, DJ, NJ, ZJ und KW; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, DJ, HJ, RJ, NJ, ZJ, KW und Ž.D.; Visualisierung, DJ und HJ; Aufsicht, NJ, ZJ; Projektverwaltung, DJ, NJ, ZJ; Finanzierungsakquise, DJ, NJ, ZJ

Korrespondenz mit Jan Divis.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Divis, J., Hlosta, J., Zurovec, D. et al. 3D-gedruckte Laborausrüstung zur Messung von Schüttgütern unter extremen Bedingungen. Sci Rep 12, 17331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22114-2

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Eingegangen: 10. Mai 2022

Angenommen: 10. Oktober 2022

Veröffentlicht: 15. Oktober 2022

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

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