Equipamento de laboratório impresso em 3D para medir materiais a granel em condições extremas

May 28, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17331 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Devido a soluções relativamente novas no campo da impressão 3D, existem poucos estudos sobre a possibilidade de utilização de elementos impressos em dispositivos de medição. O objetivo deste estudo foi investigar a possibilidade de usar instrumentos feitos pelo método de impressão 3D por extrusão de material para medição de propriedades físico-mecânicas selecionadas de materiais a granel. O estudo explora a viabilidade de medir as propriedades físico-mecânicas do material a granel quando existem obstáculos para a impressão de instrumentos de medição originais ou modificados na prática comum. Para atingir os objetivos, uma série de experimentos, como os testes de cisalhamento anelar de Schulze, testes de cisalhamento FT4 de Freeman, testes de compressibilidade e testes de taxa de fluxo e estabilidade foram realizados com o uso de instrumentos originais feitos de alumínio ou aço e instrumentos impressos em 3D de ácido polilático e estireno acrílico materiais de acrilonitrila, usando simuladores de regolito lunar LHS-1 e LMS-1 produzidos pelo CLASS Exolith Lab como material de amostra. Os resultados obtidos nos testes com instrumentos originais e impressos foram então comparados. Os valores comparados dos testes mostraram aplicabilidade dos instrumentos de medição impressos em 3D em uma faixa de 5% de desvio de medição. As maiores vantagens dos instrumentos de medição impressos em 3D foram o menor peso, a capacidade de imprimir no local, substituir uma peça danificada por uma nova peça impressa em 3D sob demanda, caso sejam necessários resultados extremamente rápidos ou devido à indisponibilidade logística, personalização dos testes padronizados para melhor compreensão do comportamento dos materiais particulados e custos de fabricação mais baratos.

Cientistas e engenheiros fizeram um desenvolvimento significativo nas missões de exploração de planetas e corpos celestes nas últimas décadas e adquiriram conhecimento sobre seus recursos e propriedades. Porém, além de alcançar os planetas, pousar com segurança no universo ainda se mostra uma tarefa difícil. Para mudar isso, recursos geológicos, dados atmosféricos e de radiação são coletados por aterrissadores e rovers, que são necessários para verificar as medições por sondas em órbita. Landers e rovers equipados com lanças de escavadeiras extraem rochas e poeira para análise das propriedades do material1. O objetivo é coletar dados e preparar estratégias para construir locais de pouso e habitats de proteção contra radiação e desenvolver construções adequadas, como infraestrutura, fábricas e laboratórios, antes da chegada dos astronautas.

Para ampliar e facilitar tais missões de exploração, são necessários dois conceitos in situ2,3. Em primeiro lugar, trata-se de equipamentos e infraestruturas de fabricação e reparo in situ (ISFR). Em segundo lugar, é a utilização de recursos in situ (ISRU). Como resultado, recursos para fabricação lunar in situ têm sido intensamente estudados na última década e diversas tecnologias têm sido propostas4,5,6,7. Para simular materiais de outros planetas, são utilizados produtos à base de cerâmica, como o regolito lunar1, que é uma areia finíssima8. Em ambiente terrestre foram desenvolvidos simuladores de regolito lunar com propriedades físico-mecânicas semelhantes9, como LHT-1 M3, NU-LHT7 ou JSC-1A10. No entanto, devido ao ambiente físico diferente, as propriedades e o comportamento dos materiais em outros corpos celestes diferem da Terra. O comportamento dos regolitos reais difere com base no ângulo linearizado de atrito interno (LAIF, ϕ), ângulo efetivo de atrito interno (EAIF, δ), função de fluxo (ffc), coesão c e compressibilidade, dependendo do ambiente em que os regolitos são medidos , local de escavação do regolito, ambiente de origem do regolito e ambiente de transformação do regolito. A composição dos regolitos varia de lugar para lugar devido à variabilidade nas colisões de asteróides e ao desgaste pelo vento ou pela água. Portanto, haverá uma necessidade crucial de poder medir propriedades físico-mecânicas de regolitos in situ e recursos materiais a granel durante as missões de exploração11.