3D 打印技術在火工品和炸藥中的應用研究

■ 張晨凱 張敏 付思達

引言

3D 打印技術是科學技術發展研究的結果，有重要的研究價值。自制造出3D 打印技術后，被世界科技學者進行了重點關注，成為了世界研究的中心。美國和中國兩個大國將3D 打印技術列為國家戰略發展的一個方向，并堅信隨著3D 打印技術的成熟和發展應用，必將在國防科技發展中展現出不可忽視的力量。僅僅在發展之初，3D 打印技術就在航空航天、船舶以及兵器中的應用較為廣泛，2013 年世界第一個3D 打印手機在美國被研究制造出來，引起了科技工作者的瘋狂的研究熱潮。

1.3D 打印技術在炸藥中的研究

1.1 國外3D 打印技術在炸藥中的研究

3D 打印技術在炸藥中的研究有所突破和發展，尤其可以借助計算機的輔助設計，加快精密設備和特殊結構的炸藥裝藥效果，具有靈活性、安全性以及可靠性。研發的周期短，表1 為國外3D 打印技術在炸藥中的應用情況。

表1 國外3D 打印技術在炸藥中的應用情況

表1 國外3D 打印技術在炸藥中的應用情況

美國作為世界大國，在武器方面的研究從未停止，其中美國國防從1999年就開始了3D 打印技術的研究，并將其技術充分的應用在國防領域，實現對火工品的裝藥應用。并對其進行制造創新，武裝于軍隊，美國海軍陸戰隊已在有關方面進行了水下作戰試驗，如圖1所示。

圖1 美國海軍陸戰隊3D 打印異形彈藥

美國海軍已安裝3D 打印技術，嫻熟的運用技術，可以通過單噴嘴擠注打印，配置炸藥配方，炸藥量進行有效的控制，進行能量的輸出，通過專業的技術設計，使得噴墨量可以控制該裝置具有高精密的移動裝藥基體。與此同時，英國也在研究3D 打印技術，并在2020年對外進行了展示，采用研制的彈藥樣品設計特定的形狀，個性化的設計展現出不同的爆炸效果，通過研究創新，將3D 打印技術完成復雜的裝藥效果，可以控制輸出。

圖2 所展示的是英國制造出來的3D 打印炸藥樣品，裝藥尺寸依然較小，原因無外乎是受制于打印設備平臺和與之相匹配的炸藥配方這兩大方面。

圖2 英國批量打造的3D 打印炸藥

1.2 國內3D 打印技術在炸藥中的研究

目前，國內3D 打印技術進行研究創新，一定程度上可以進行自主研發，尤其是對炸藥的研究，和國外的研究所相一致，國內的部分高校也建立了專業的從事3D 打印技術的研究團隊，針對相關的技術進行研究。TNT 炸藥能量大，破壞力強，但是也有一定的缺陷，力學性能差等問題一直沒有得到有效解決，采用3D 打印技術可以很好的運用在炸藥中，針對出現的問題，制備專門的直徑和高度的炸藥藥柱，通過對抗壓強度和破壞力及范圍等一系列方面進行對比，解決傳統的炸藥消耗量及影響范圍。過程相對較為復雜，影響因素多，異型產品成型困難等問題采用建模加仿真分析的方法對3D 打印的噴射過程進行了研究，并給出了噴嘴直徑、撞針行程和驅動壓力的研究建議，為3D 打印PBX 炸藥裝藥工藝設計提供了參考。專業人員利用3D 打印技術設計制造出了以TATB 和CLˉ20 兩種炸藥體系構筑的3 種復合裝藥結構藥柱，驗證了3D 打印技術適用于復雜結構炸藥裝藥，并且通過特殊的裝藥結構改善了CLˉ20 炸藥藥柱的機械結構。由于所用打印的針頭口徑很小，打印速度受限，所以并不適用于大尺寸戰斗部炸藥裝藥。

大尺寸炸藥的發展研究很有必要，時代在發展，科學技術也在不斷的進步。針對3D 打印技術，如何將其作用進行有效的發揮，使之在軍事領域發揮自己的優勢，專業人員需要進行深度的研究。大尺寸的炸藥裝藥技術，目前在特定的研究所進行了大量的復雜的技術試驗，推進大尺寸裝藥柱試驗，制造出了相關的內腔結構的推進和炸藥的物理狀態，在一定的溫度下進行了一定的變化，針對這樣的現象，專業人員研究了光固化推進劑，從而提高了3D 打印技術的使用安全性能，改善了推進劑藥柱的力學性能，很大程度上提高了發動機對裝藥方面的力學要求，進行了研發申請并注冊了專利。

2.3D 打印技術在炸藥領域中應用的優勢分析

現代的軍事、武器方面的優化非常明顯，對武器的先進性研究十分突出，各種武器的研發不斷升級和優化，根據不同形勢的需要，研究武器的功能也越發全面。炸藥的研發是很重要的一部分，3D 打印技術的問世使得軍事的發展又有了進步，其技術在炸藥領域的應用有很大的優勢。就傳統的炸藥而言，其工藝相對簡單，通過觸發炸藥引信使其發揮威力，相對于3D 打印技術，可以采用計算機技術設計制作樣品，通過樣品模型使得研究人員對炸藥更加了解，在一定程度上可以開放技術人員的思維放射，不再受到局限思想的影響，制造出不同形狀的裝藥柱，在一定條件下可以完成裝藥的工作。例如無法實現的裝藥任務，通過設計簡易的裝藥柱，空心藥柱的研發配合結構復雜的裝藥制造，使更合適的樣品應用在炸藥裝藥柱方面，相比傳統的炸藥制作，加工的方式會更容易，周期短且成本低，而且更加安全可靠。

3D 打印技術在軍事上進行應用，很大程度上提高了軍事材料的節約，避免出現浪費的情況，這種技術的應用，通過對炸藥柱的簡化設計，更加科學，安全可靠的同時得到更多軍事人事的青睞，炸藥的一次性成型，很好的控制了成本。應用3D 打印技術，不需要進行重復制造施工，計算機的控制裝藥，過程中無人參與，更加高效，精度高，質量得到了一定的保障，促進了裝藥的專業化、工業化，自動化、安全化，生產過程也更加有序，也對作業人員的工作環境得到極大的改善。

3D 打印技術通常是采用數字技術材料打印機來實現的，控制制造打印噴嘴，實現炸藥裝藥程序，通過計算機技術和相應的設備，使得裝藥更加的均勻。打印成型后的炸藥樣品內部仍然保持這種狀態，通過電腦控制打印材料，藥量的控制精度高，炸藥能量的釋放會十分充分。對于裝藥精度有嚴格要求的炸藥來說，這是一種十分有效的措施。

3D 打印技術快速、精準、高效、安全、節約材料等很多的特點，使得這種技術在現今的發展越發必要，與傳統的裝藥手段形成鮮明的對比，可以借助互聯網技術的研發制造，通過設計藥柱模型，很直觀的展現在人們的眼前，使得制造生產更加信息化和專業化。

3 結語

3D 打印技術在今后的發展中會得到重視，尤其在軍事領域的應用，其優勢相當明顯，很多國內外的學者均對其進行大量的研究，發現3D 打印技術在炸藥方面的應用前途很廣，頂層的設計，研發的力度也會加大。軍事領域的研發具有一定的特殊性，擁有自主知識產權的材料生產技術，建立3D 模型，直觀的應用在炸藥方面，數字化的管理，對未來軍事發展搶占一定的先機。目前的研發還處于初級階段，今后的大尺寸藥柱的研發是主要方向之一，炸藥領域的技術研發，材料規格以及適應性的問題，都有待進一步的研究，在不斷的科技研發的過程中，研發技術會逐漸成熟化，在技術的發展中提升應用的實際效果，在軍事領域的發展前途將會更廣。