基于熔融沉積成型技術的熔鑄炸藥增材制造裝置研發與應用

肖 磊，宗胡曾，郭 銳，郝嘎子，王蘇煒，周 昊，郭 超，王澤昊，姜 煒

(1.南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術研究中心，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

炸藥裝藥是彈藥戰斗部等武器做功的能量來源，是武器系統實現“遠程打擊、高效毀傷”的核心部件，更是推動我軍高新裝備發展的重要基礎。當前國際形勢不穩定因素日益增加，局部戰場環境復雜多變，對武器彈藥提出了更高的功能性要求，如爆轟模式可調、爆炸威力可控等，往往需要通過基于復雜異型異質結構的先進裝藥設計理念才能實現。然而，受限于傳統的裝藥原理及工藝，目前仍難以實現這類特殊結構的炸藥裝藥制造，因此亟需探索新型炸藥裝藥技術及匹配裝備，以滿足武器裝備對復雜異型異質結構炸藥裝藥的迫切需求[1-4]。

增材制造技術(Additive Manufacturing, AM)，又名3D打印技術，是一種多學科一體化的先進制造技術，包括了材料加工與成型技術、計算機圖形模擬技術、數字信息化技術和機電一體化技術等多種技術[5-7]。目前，增材制造技術已經在汽車電子、機械制造、工業建筑、航空航天、常規武器裝備、生物醫藥等多個領域廣泛應用。近年來，含能材料3D打印技術研究突飛進展，與傳統含能材料的減材加工模式不同，增材制造技術可實現微電子引信、微機電系統、微小型彈藥等微小用量含能材料的精密裝填，也可用于制備復雜藥型結構、能量密度遞變的高能炸藥裝藥、固體推進劑藥柱和高堆積密度多孔發射藥等[8]。如黃瑨等[9]以GAP和N-100為粘結劑制備了3種新型TATB/CL-20復合裝藥結構，撞擊感度測試結果表明，軸向/徑向復合多層裝藥結構(CL-20質量占比90%)的特性落高達到72.00 cm，較同質量的CL-20裝藥提高了314%。2017年，普渡大學的Fleck等[10]將PVDF溶解在丙酮和DMF的共溶液中，再向該溶液中加入一定量的鋁粉并攪拌均勻，待溶液揮發干燥后，將該Al/PVDF薄膜制成絲材用于打印。Collard等[11]探究了鋁粉粒徑、鋁粉類型和化學計量比等因素對Al/PVDF可打印絲材燃速的影響，并使Al/PVDF可打印絲材的燃速在17～40 mm/s之間進行可控調節。朱國豪等[12]設計了一種UV光輔助固化的CL-20基含能油墨，并采用3D打印平臺裝置對油墨進行了直寫成型，研究結果表明，當配方中CL-20含量為82%時油墨穩定性較好，固化速率快，成型樣品表面平整，硬度為70 HA。陳永進等[13]設計了一種光固化樹脂配方(48%自制光固化樹脂/41%超細AP/11%改性Al)，并利用光固化3D打印技術成功制備了異型含能藥柱，測試結果表明：光固化成型藥柱密度為1.606 g·cm-3，較澆鑄固化成型藥柱提高了3.7%；光固化藥柱平均抗壓強度為9.83 MPa，相比模具固化成型藥柱提高了315%。噴墨打印技術和光固化成型技術在高分子粘結炸藥、復合推進劑、火工品等部分火炸藥領域中已有良好的應用基礎。

基于熔融沉積成型(FDM)原理的增材制造技術已證明可應用于含能材料領域。王偉等[14]以黏合劑RS為連續相，鋁粉和高氯酸銨為固體填料，實現填料質量分數為80%的巧克力型推進劑配方設計與制備，研究結果表明：巧克力型推進劑可在90 ℃以下實現熔融成型，且具備可調節的粘度、優良的安全性能和可觀的能量潛力。另外一種方式則是利用熔鑄炸藥熔點低、流變行為可控的特點進行打印，如TNO公司[15]研究了純TNT炸藥的熔融沉積成型技術，并成功打印出了約300層的TNT樣品，初步驗證了熔鑄炸藥材料的增材制造可行性。但是，單一熔融TNT在打印過程中，其粘度過低會導致樣品難以成型，而且由于TNT能量較低，最終產品的性能也大打折扣。因此TNT常作為熔融載體與一些高能組分相混合以改善藥漿的粘度和綜合性能。

本課題組[16-17]前期已自主研發了一臺適用于熔鑄炸藥打印成型的增材制造原理樣機，并通過篩選熔鑄炸藥配方、優化工藝參數，成功打印出了基于19%納米HMX和81%TNT的熔鑄炸藥小藥柱，突破了10 g量級熔鑄炸藥的打印成型。測試結果表明，打印成型的藥柱密度為1.65 g/cm3，抗壓強度為5.56 MPa，爆速為7 184 m/s，綜合性能均優于澆鑄成型的藥柱。但原理樣機僅初步解決了熔鑄炸藥打印成型可行性問題，打印藥量小，柱塞式擠出粘度有限，全流程尚未完全實現無人化控制，難以滿足高固高能熔鑄炸藥的安全制造。

鑒于此，本文進一步研發了一套適用于熔鑄炸藥的公斤級自動化增材制造裝置，滿足加料-混合-擠出-打印全流程的無人化、自動化控制，同時配備有視頻/紅外在線檢測控制系統，可實現打印過程的安全監測，確保熔鑄炸藥打印安全可靠；通過代料實驗驗證了該套裝置的運行安全可靠性，最后成功完成了超細HMX/TNT基熔鑄炸藥的打印成型及性能表征，初步驗證了該套裝置在熔鑄炸藥高質量成型方面的優勢，為下一步復雜異型異質結構炸藥裝藥成型提供裝置平臺與技術基礎。

1 熔鑄炸藥增材制造原理

傳統FDM打印機的工作原理是將絲狀熱熔性材料加熱熔化，從噴頭中擠出并沉積在打印平臺或者前一層打印的材料上。當溫度低于該熱熔性材料的固化溫度后開始固化，最終通過材料的層層堆疊形成最終成品。基于此，團隊開發的增材制造設備采用了相同的原理(見圖1)。將熔鑄炸藥的原料加入熔混釜后，待載體炸藥(TNT)完全熔化，開啟攪拌，使高能炸藥顆粒(HMX)與載體炸藥混合均勻。之后，控制齒輪泵的擠出速度與打印平臺的運動速度，使熔融態炸藥可以均勻并穩定地沉積在打印平臺上，通過控制噴頭擠出溫度及成型室溫度實現擠出的熔融態炸藥冷卻凝固。經過打印層層堆疊后，最終獲得目標結構樣品。

圖1 熔鑄炸藥增材制造過程示意圖

2 熔鑄炸藥增材制造裝置研制

熔鑄炸藥增材制造裝置的主機部分如圖2所示，主要由4部分組成：原料加料機構、熔混攪拌機構、精確擠出機構、三維運動機構。此外，為對打印過程進行觀測及記錄，該增材制造裝置還輔助以軟件控制、溫度控制、視頻監控、紅外測溫等模塊，對打印過程進行實時監測并記錄，確保打印過程安全進行。

2.1 原料加料機構

原料加料機構主要由儲料罐和遠程控制的振動加料器組成，結構示意圖裝置如圖3所示。根據熔鑄炸藥配方組成設置了3～4儲料罐，提前存放TNT、主體炸藥、燃料添加劑以及可能的其他小組分。原料加料機構底部通過管道與熔混攪拌機構頂部相連，通過每個儲料罐底部安裝的氣動振動器調節振動幅度和頻率，以控制不同粉體原料的加料速度。

2.2 熔混攪拌機構

熔混攪拌機構的功能主要是熔化載體炸藥，并使其與其他配方組分混合，形成均勻藥漿，主要結構如圖4所示，由熔混釜外殼及攪拌槳構成。熔混釜采用夾套設計，通循環導熱油，內置防爆溫度傳感器以監測油溫并調節熔融溫度。熔混釜頂蓋設有正壓孔和負壓孔，負壓孔連接抽真空系統，在熔混過程中除去藥漿內部氣泡；正壓孔連接壓縮空氣系統，在擠出過程中可提供加壓，保障高粘藥漿的穩定擠出。攪拌槳結構為聚攏型設計，方便高粘度藥漿匯集至熔混釜中心底部并順利擠出；攪拌動力源為氣動控制的齒輪結構；熔混釜整體以及攪拌槳葉均采用高強度、防靜電的鈹銅材質進行制造以滿足安全使用要求。另外，在熔混階段，攪拌槳底端與熔混釜底部出口緊密貼合，保障混合過程藥漿不漏，而在擠出過程中，攪拌槳氣動提升，漏出熔混釜底部出口，方便混合好的藥漿出料。

a) 熔混釜結構示意圖

2.3 精確擠出機構

為了實現藥漿的連續化擠出成型，同時保障擠出過程的安全性，本裝置的精確擠出機構采用齒輪泵形式(見圖5)。

a) 齒輪泵裝配效果圖

普通齒輪泵是液壓系統的常用泵，具有輸出壓力高、連續輸出的優點。動力輸入其中一個齒輪，另一個齒輪與其嚙合，所以2個齒輪既有擠出功能也能傳遞扭矩。而在熔鑄炸藥體系中，2個齒輪要求不能擠壓藥漿中的固體顆粒物，從而避免安全風險，故開發了針對含能材料的無擠壓摩擦雙組齒輪泵。其基本原理是將傳統齒輪泵中齒輪的擠出和傳遞扭矩的功能分給2組齒輪，即擠出齒輪和傳動齒輪。傳動齒輪無間隙傳動，保證2個齒輪的無間隙嚙合。擠出齒輪經過特殊加工使其齒厚比傳動齒輪薄，并且與傳動齒輪同步旋轉。故在整個轉動過程中始終保持一定的間隙。該間隙可根據實際含能材料的粘度、顆粒大小等進行適當調節，既能滿足安全的要求也能保證擠出特性。同時在齒輪擠出泵上安裝了壓力傳感器以實現對實際操作過程中擠出壓力的監控。齒輪泵也采用了夾層設計(見圖6)，并使用油浴控溫，以確保藥漿在擠出過程中不會發生凝固堵塞現象。

圖6 齒輪泵夾層循環加熱結構示意圖

精確擠出機構的另一個重要部件是噴頭。本文中設計的擠出噴頭結構示意圖如圖7所示。其主要功能在于保溫處理，易拆洗更換，且更換后無須校準噴口位置，并能夠有效防止噴頭管路中邊角積存熔鑄炸藥余料。首先噴頭與齒輪泵之間通過圓柱和孔定位，保證了X、Y軸向的位置精度；控制好噴頭的加工精度能保證Z軸向的一致性，所以更換噴頭后無須再次校準噴頭位置。此外，噴頭的孔道與擠出泵的孔道等直徑，噴頭端面采用特氟龍墊片密封。孔道內部無死角，容易清洗，拆卸噴頭時不會造成殘留含能材料顆粒的摩擦，保證了使用的安全性。

a) 噴頭結構整體示意圖

2.4 三維運動機構

三維運動機構主要包括三軸運動模塊與打印平臺(見圖8)。由于運動系統要實現X、Y、Z三個軸的運動和精確定位，所以本文中的設計思路是采用模塊化設計，各單元可單獨運動，相對獨立，但是運動系統又集合成一個整體模塊。X軸驅動工作平臺沿X方向運動，Y軸驅動工作平臺沿Y方向運動，兩者的聯動實現了工作平臺相對于固定擠出系統的平面運動，當一層打印完成后，Z軸下降帶動打印平臺實現高度方向的進給，X、Y軸再次運動打印下一層，當結束后，Z軸再次帶動打印平臺實現高度方向的進給，如此重復，直至打印完成。

圖8 三維運動機構示意圖

三軸運動模塊以高剛度的立柱作為承力和安裝的基礎，立柱采用高強度高剛度設計。混料模塊、擠出模塊及各軸的運動平臺全部安裝在立柱上，相當于一個配重，結構和受力上兩者是一體的。所有作用力經立柱傳到焊接底座然后傳到地面。該結構方案以立柱作為統一的基準，使得運動平臺和噴頭形成一個整體，保證了剛度、精度以及變形，從而大大降低了對焊接底座的精度、剛度和強度的要求；且因立柱和幾個模塊機構的質量大，所以整個三維打印平臺的振動都比較小，確保打印過程中運動的平穩性，提高了打印精度。

此外，本文中設計的打印平臺具有加熱與吸附雙功能，即平臺內部采用水循環加熱方式對打印平臺進行加熱控溫，同時采用真空泵吸附打印用鈹銅合金板方式將供打印的最底層薄膜板固定在平臺上，方便打印完成后的樣品脫離。其結構如圖9所示。

a) 真空吸附結構布局

2.5 其他輔助系統

為了實現打印過程的安全監控，本文中熔鑄炸藥增材制造裝置還輔助以溫度傳感器、視頻監控、紅外成像等模塊對打印過程進行觀測及記錄，確保打印工藝參數的準確控制以及打印過程的安全可靠。

2.5.1 溫度在線檢測系統

考慮到本裝置中加熱溫度均由循環油浴/水浴系統提供，且過程中存在熱量損耗問題，為了提高溫度監控精度，采用多組溫度傳感器，分別安裝于增材制造裝置的熔混釜夾套內、擠出齒輪泵夾套內、成型平臺夾套內、成型室恒溫裝置內，以及循環油浴系統的出口處，并將溫度信號傳輸至遠程控制軟件中的“過程控制”模塊，從而對溫度進行實時監控(見圖10)。

圖10 溫度在線檢測軟件界面

2.5.2 視頻/紅外在線檢測系統

打印過程中，進一步采用紅外成像方式對打印區間的實時溫度進行監測，并采用視頻實時監控方式對熔鑄炸藥打印區間的工況進行監測(見圖11)。

a) 紅外成像及數據記錄界面

紅外熱成像儀安裝于擠出機構側面，對整個增材制造過程中溫度最高區域(熔混釜和擠出機構)進行監測，并將熱圖像以及區間內最高溫度和最低溫度顯示于紅外專用監控軟件中；最高溫度信號同時也傳輸至遠程控制軟件中，與雨淋控制系統形成安全聯鎖，從而共同實現多點溫度的實時在線監測與安全控制。

視頻系統主要是對三維運動機構運動狀態、噴頭擠出狀態以及藥漿出料堆積成型狀態進行監測，輔助觀察各部位是否按照軟件指令運行，便于及時對可能出現的三軸運動超限、噴頭碰撞、藥漿堵塞等異常情況的及時處理，規避潛在的安全隱患。

3 打印試驗

3.1 代料打印試驗

在進行真料試驗前，使用以石蠟、熱熔膠和超細碳酸鈣為主要成分的代料對設備特性及打印參數進行摸索，各組分具體含量見表1。

表1 代料配方各組分配比

在代料打印試驗中參數如下：噴頭直徑為0.6 mm，打印速度為15～35 mm/s，層高為0.15～0.3 mm，熔混釜溫度為75～85 ℃，平臺溫度為30～40 ℃。打印過程圖及部分樣品如圖12所示，可以看出，代料試驗已經實現了單、雙噴頭及復雜結構的成功打印，這為真料打印提供了基礎。

a) 代料打印初期

3.2 TNT/HMX基熔鑄炸藥打印試驗

依據代料打印試驗的經驗，設置相應參數進行50 wt.% HMX/50 wt.% TNT基熔鑄炸藥的打印試驗，具體參數如下：熔混釜溫度為90 ℃，打印平臺溫度為55 ℃，打印速度為15 mm/s，層高為0.25 mm。打印過程及部分樣品圖如圖13所示。

a) 炸藥打印初期

3.2.1 微觀形貌分析

3D打印藥柱及澆鑄成型藥柱的剖面圖及SEM分別如圖14和圖15所示。

圖14 藥柱內部剖面圖

圖15 藥柱內部SEM圖

由圖14可以看出，3D打印藥柱內部密實，不存在孔隙和空洞，截面較為光滑。由圖15的藥柱內部SEM可以看出，藥柱內部剖面光滑，無明顯缺陷存在。結合宏觀和微觀形貌結果可以發現，增材制造的線-面-體堆積方式可以有效改善熔鑄炸藥的內部缺陷、縮孔等疵病，有效提高裝藥質量。

3.2.2 密度分析

采用“排水法”對藥柱密度進行測試，結果見表2。

表2 打印藥柱的密度

由表2可知，打印藥柱的平均密度為1.751 g/cm3，達到了理論密度的98.79%，方差為6.22×10-6，表明打印藥柱之間密度差較小，密度均一性良好。

3.2.3 抗壓強度分析

根據GJB 772A—1997，方法416.1“壓縮法”，采用CTM9100型電子萬能材料試驗機對打印藥柱的抗壓強度進行測試，測試過程如圖16所示。在進行抗壓強度測試后，藥柱碎片呈放射狀由中心向四周分散。抗壓強度結果見表3。由表3可知，打印藥柱的平均抗壓強度高達33.69 MPa，這是因為區別于傳統藥柱的制備方式，3D打印采用了“自下而上”的裝藥方式，可以有效避免氣孔和缺陷的產生，提高裝藥密實性，從而改善力學強度。

a) 測試前

表3 打印藥柱的抗壓強度

3.2.4 表面粗糙度分析

表面粗糙度是除密度以外衡量打印樣品質量的另一重要指標，表面粗糙度的高低對樣品的表面質量、美觀程度、性能都具有非常重要的影響。使用粗糙度測量儀對打印藥柱的表面粗糙度進行測量，打印藥柱軸線方向輪廓曲線如圖17所示。

圖17 打印藥柱軸線方向輪廓曲線

對于打印樣品而言，表面粗糙度值越小，制件的表面質量越高，模型的整體效果越美觀。由圖17可以看出，打印藥柱軸線方向輪廓受層高影響，層高越高，則兩波谷之間距離越寬，反之亦然。為了精確描述制件表面的微觀形狀特征，一般采用輪廓的算術平均差(Ra)對表面粗糙度進行描述。輪廓的算術平均差是指在一定取樣長度lr內，被測輪廓上各點至輪廓中線距離絕對值的算術平均值[18]。對打印藥柱軸線方向表面粗糙度測試結果見表4，打印樣品平均表面粗糙度為6.47 μm。增材制造逐層堆積的特點，造成了打印藥柱表面達不到傳統澆鑄法制備藥柱表面光滑的程度，但通過工藝參數調節，也能夠控制打印藥柱的表面粗糙度，改善表面質量，滿足應用需求。

表4 打印藥柱的表面粗糙度

4 結語

本文針對當前復雜異型異質結構炸藥裝藥制造的迫切需求，設計并研制出了基于熔融沉積成型原理的熔鑄炸藥專用增材制造自動化裝置，同時開展了HMX/TNT基熔鑄炸藥的打印成型試驗，主要結論如下。

1)該套增材制造自動化裝置可實現原材料加料、熔混攪拌、精準擠出、堆積成型等遠程自動化控制，以及視頻、紅外等實時在線監控，有效保障了增材制造工況的安全穩定性。

2)采用該套裝置成功打印出超細HMX/TNT基熔鑄炸藥樣品，超細HMX固含量為50%，打印樣品表現出高致密、高強度、高精度的特點，綜合性能優異。

3)該套熔鑄炸藥增材制造裝置有望實現基于復雜異型異質結構的炸藥裝藥成型，可為“爆轟模式可調、爆炸威力可控”的新型戰斗部裝藥提供重要平臺支撐。