Alors que la volonté de fonder une base pérenne sur la Lune d’ici à la fin de la décennie apparaît, la question de l’autonomie des astronautes se pose. Le développement des technologies d’utilisation des ressources in-situ (ISRU), en particulier du sol lunaire appelé régolithe, devient un élément clé pour assurer la viabilité de ces missions longue durée. Cette thèse se propose d’étudier l’une de ces solutions, la fabrication additive par fusion sélective laser (SLM), prometteuse de par sa polyvalence et sa capacité à se passer de liants. Pour cela, une approche globale de travail a été conduite : D’abord, un matériau de travail, analogue de régolithe des mers lunaires désigné comme basalte du Pic d’Ysson (BPY), a été élaboré. Sa composition est multiple, et permet de reproduire la variabilité inhérente au sol lunaire, que ce soit en terme de proportion en éléments chimiques ou de maturité. Ensuite, une étude approfondie des phénomènes physiques ayant lieu durant la fabrication additive a été menée.
Commençant par les interactions rayonnement-matière avec la détermination de l’absorptivité du milieu granulaire, suivi de sa conductivité thermique et des changements de phases survenant dans l’analogue lors de cycles de chauffe, les caractérisations expérimentales présentées sont complétées de modèles analytiques permettant de mieux identifier l’influence des différentes variables mises en jeu. Enfin, des essais de fabrication ont pu être menés, testant un nombre important de paramètres (densité d’énergie utilisée, application d’un post traitement de recuit,...). Les objets manufacturés permettent alors d’établir les relations matériau-procédé-propriétés par une série de caractérisations
mécaniques et microstructurales. Finalement, la pertinence du choix de la SLM dans le contexte de l’ISRU est argumentée, et une stratégie globale d’optimisation des propriétés des pièces avec des suggestions d’améliorations possibles est donnée. |
With the declared aim of establishing a permanent base on the Moon by the end of the decade, the question of astronaut autonomy is coming to the fore. The development of technologies for In-Situ Resources Utilization (ISRU), in particular lunar soil known as regolith, is becoming a key element in ensuring the viability of these long-duration missions. This thesis investigates one of these solutions, direct additive manufacturing using selective laser melting (SLM), promising in terms of its versatility and its ability to dispense with binders. To achieve this, a comprehensive approach was adopted: firstly, a working material was developed, a lunar mare regolith analog designated as basalt of Pic d’Ysson (BPY). It has a variable composition, allowing it to reproduce the variability inherent in lunar soil, both in terms of the proportion of chemical elements and maturity. This was followed by an in-depth study of the physical phenomena taking place during additive manufacturing. Starting with radiation-matter interactions, with the determination of the absorptivity of the granular medium, followed by its thermal conductivity and the phase changes occurring in the analog during heating cycles, the experimental characterizations presented are complemented by analytical models to better identify the influence of the various variables involved. Finally, manufacturing trials were carried out, testing a large number of parameters (energy density, application of an annealing aftertreatment,...).
The manufactured objects are then used to establish material-process-property relationships through a series of mechanical and microstructural characterizations (identification of the phases and defects using X-ray tomography and electronic imaging methods among others). Finally, the relevance of the choice of SLM in the context of ISRU is argued, and an overall strategy for optimizing part properties with suggestions for possible improvements is given. |