3D 打印技术在火工品和炸药中的应用研究

■ 张晨凯 张敏 付思达

引言

3D 打印技术是科学技术发展研究的结果，有重要的研究价值。自制造出3D 打印技术后，被世界科技学者进行了重点关注，成为了世界研究的中心。美国和中国两个大国将3D 打印技术列为国家战略发展的一个方向，并坚信随着3D 打印技术的成熟和发展应用，必将在国防科技发展中展现出不可忽视的力量。仅仅在发展之初，3D 打印技术就在航空航天、船舶以及兵器中的应用较为广泛，2013 年世界第一个3D 打印手机在美国被研究制造出来，引起了科技工作者的疯狂的研究热潮。

1.3D 打印技术在炸药中的研究

1.1 国外3D 打印技术在炸药中的研究

3D 打印技术在炸药中的研究有所突破和发展，尤其可以借助计算机的辅助设计，加快精密设备和特殊结构的炸药装药效果，具有灵活性、安全性以及可靠性。研发的周期短，表1 为国外3D 打印技术在炸药中的应用情况。

表1 国外3D 打印技术在炸药中的应用情况

表1 国外3D 打印技术在炸药中的应用情况

美国作为世界大国，在武器方面的研究从未停止，其中美国国防从1999年就开始了3D 打印技术的研究，并将其技术充分的应用在国防领域，实现对火工品的装药应用。并对其进行制造创新，武装于军队，美国海军陆战队已在有关方面进行了水下作战试验，如图1所示。

图1 美国海军陆战队3D 打印异形弹药

美国海军已安装3D 打印技术，娴熟的运用技术，可以通过单喷嘴挤注打印，配置炸药配方，炸药量进行有效的控制，进行能量的输出，通过专业的技术设计，使得喷墨量可以控制该装置具有高精密的移动装药基体。与此同时，英国也在研究3D 打印技术，并在2020年对外进行了展示，采用研制的弹药样品设计特定的形状，个性化的设计展现出不同的爆炸效果，通过研究创新，将3D 打印技术完成复杂的装药效果，可以控制输出。

图2 所展示的是英国制造出来的3D 打印炸药样品，装药尺寸依然较小，原因无外乎是受制于打印设备平台和与之相匹配的炸药配方这两大方面。

图2 英国批量打造的3D 打印炸药

1.2 国内3D 打印技术在炸药中的研究

目前，国内3D 打印技术进行研究创新，一定程度上可以进行自主研发，尤其是对炸药的研究，和国外的研究所相一致，国内的部分高校也建立了专业的从事3D 打印技术的研究团队，针对相关的技术进行研究。TNT 炸药能量大，破坏力强，但是也有一定的缺陷，力学性能差等问题一直没有得到有效解决，采用3D 打印技术可以很好的运用在炸药中，针对出现的问题，制备专门的直径和高度的炸药药柱，通过对抗压强度和破坏力及范围等一系列方面进行对比，解决传统的炸药消耗量及影响范围。过程相对较为复杂，影响因素多，异型产品成型困难等问题采用建模加仿真分析的方法对3D 打印的喷射过程进行了研究，并给出了喷嘴直径、撞针行程和驱动压力的研究建议，为3D 打印PBX 炸药装药工艺设计提供了参考。专业人员利用3D 打印技术设计制造出了以TATB 和CL¯20 两种炸药体系构筑的3 种复合装药结构药柱，验证了3D 打印技术适用于复杂结构炸药装药，并且通过特殊的装药结构改善了CL¯20 炸药药柱的机械结构。由于所用打印的针头口径很小，打印速度受限，所以并不适用于大尺寸战斗部炸药装药。

大尺寸炸药的发展研究很有必要，时代在发展，科学技术也在不断的进步。针对3D 打印技术，如何将其作用进行有效的发挥，使之在军事领域发挥自己的优势，专业人员需要进行深度的研究。大尺寸的炸药装药技术，目前在特定的研究所进行了大量的复杂的技术试验，推进大尺寸装药柱试验，制造出了相关的内腔结构的推进和炸药的物理状态，在一定的温度下进行了一定的变化，针对这样的现象，专业人员研究了光固化推进剂，从而提高了3D 打印技术的使用安全性能，改善了推进剂药柱的力学性能，很大程度上提高了发动机对装药方面的力学要求，进行了研发申请并注册了专利。

2.3D 打印技术在炸药领域中应用的优势分析

现代的军事、武器方面的优化非常明显，对武器的先进性研究十分突出，各种武器的研发不断升级和优化，根据不同形势的需要，研究武器的功能也越发全面。炸药的研发是很重要的一部分，3D 打印技术的问世使得军事的发展又有了进步，其技术在炸药领域的应用有很大的优势。就传统的炸药而言，其工艺相对简单，通过触发炸药引信使其发挥威力，相对于3D 打印技术，可以采用计算机技术设计制作样品，通过样品模型使得研究人员对炸药更加了解，在一定程度上可以开放技术人员的思维放射，不再受到局限思想的影响，制造出不同形状的装药柱，在一定条件下可以完成装药的工作。例如无法实现的装药任务，通过设计简易的装药柱，空心药柱的研发配合结构复杂的装药制造，使更合适的样品应用在炸药装药柱方面，相比传统的炸药制作，加工的方式会更容易，周期短且成本低，而且更加安全可靠。

3D 打印技术在军事上进行应用，很大程度上提高了军事材料的节约，避免出现浪费的情况，这种技术的应用，通过对炸药柱的简化设计，更加科学，安全可靠的同时得到更多军事人事的青睐，炸药的一次性成型，很好的控制了成本。应用3D 打印技术，不需要进行重复制造施工，计算机的控制装药，过程中无人参与，更加高效，精度高，质量得到了一定的保障，促进了装药的专业化、工业化，自动化、安全化，生产过程也更加有序，也对作业人员的工作环境得到极大的改善。

3D 打印技术通常是采用数字技术材料打印机来实现的，控制制造打印喷嘴，实现炸药装药程序，通过计算机技术和相应的设备，使得装药更加的均匀。打印成型后的炸药样品内部仍然保持这种状态，通过电脑控制打印材料，药量的控制精度高，炸药能量的释放会十分充分。对于装药精度有严格要求的炸药来说，这是一种十分有效的措施。

3D 打印技术快速、精准、高效、安全、节约材料等很多的特点，使得这种技术在现今的发展越发必要，与传统的装药手段形成鲜明的对比，可以借助互联网技术的研发制造，通过设计药柱模型，很直观的展现在人们的眼前，使得制造生产更加信息化和专业化。

3 结语

3D 打印技术在今后的发展中会得到重视，尤其在军事领域的应用，其优势相当明显，很多国内外的学者均对其进行大量的研究，发现3D 打印技术在炸药方面的应用前途很广，顶层的设计，研发的力度也会加大。军事领域的研发具有一定的特殊性，拥有自主知识产权的材料生产技术，建立3D 模型，直观的应用在炸药方面，数字化的管理，对未来军事发展抢占一定的先机。目前的研发还处于初级阶段，今后的大尺寸药柱的研发是主要方向之一，炸药领域的技术研发，材料规格以及适应性的问题，都有待进一步的研究，在不断的科技研发的过程中，研发技术会逐渐成熟化，在技术的发展中提升应用的实际效果，在军事领域的发展前途将会更广。