槍械的3D打印技術(shù)簡(jiǎn)述

鮑立垠 張?chǎng)? 李軼昳 周志飛 金益鋒

3D打印是結(jié)合數(shù)字建模、信息技術(shù)、機(jī)電工程與材料科學(xué)等多門(mén)類(lèi)前沿知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了由無(wú)到有、由點(diǎn)到面、由面成體的離散堆積與增材制造過(guò)程[1]。3D打印近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，不僅科研報(bào)道密集，而且成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)，逐漸為公眾所了解。與傳統(tǒng)加工方式相比，當(dāng)前3D打印技術(shù)的發(fā)展擺脫傳統(tǒng)材料加工工藝中僅能針對(duì)單一成分的限制，實(shí)現(xiàn)材料成分功能化、梯度化，在材料加工成型的同時(shí)合成相應(yīng)的材料組分；適用于空間尺度多樣化的零部件結(jié)構(gòu)制造，從微觀到宏觀結(jié)構(gòu)都有所涉及；降低了復(fù)雜形狀產(chǎn)品的加工難度，能夠制造傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)工件，即直接形成具有一定功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化或跳過(guò)零件的裝配過(guò)程[2，3]。

一、多樣化的3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)最初僅指3D噴印（3DP）等較為狹窄的范圍[4]，隨著這一理念的提出，以3D增材制造為核心發(fā)展出多種材料累積成型技術(shù)，主要包括：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）、光固化立體印刷（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、融化壓模（MEM）、分層實(shí)體制造（LOM）等[5]。3D打印的材料累積成型工藝受原材料狀態(tài)的制約，對(duì)于粉末、片狀、線(xiàn)狀或是液態(tài)的原材料，對(duì)工藝的選用會(huì)有較大影響。

分析3D打印技術(shù)加工的材料種類(lèi)，能發(fā)現(xiàn)同一類(lèi)工藝可能加工處理多種不同的材料，相同類(lèi)型的材料也能通過(guò)多種工藝加工成不同要求的產(chǎn)品[6]。當(dāng)筆者試圖從槍支制造等特殊需求角度對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行審視時(shí)，更傾向于由材料種類(lèi)、性能和產(chǎn)品尺寸、結(jié)構(gòu)方面對(duì)各種3D打印方法進(jìn)行討論。對(duì)于某些應(yīng)用領(lǐng)域和材料構(gòu)成較為特殊，如使用細(xì)胞作為原料的3D打印技術(shù)，本文將不作深入討論，以下僅對(duì)以非生物體為原料的3D打印技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)介。

1.3D噴?。?DP）

3D噴印打印作為最初意義上的3D打印技術(shù)，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和STL格式幾何模型為基礎(chǔ)，使用砂、石膏、水泥、金屬、陶瓷、塑料等粉末原料，通過(guò)逐層打印，分層疊加，混合液體凝膠粘合成型的方式構(gòu)造實(shí)體。馮鵬等人研究了使用石膏粉、水和樹(shù)脂為原料的常見(jiàn)3D打印凝膠材料，形成的樹(shù)脂增強(qiáng)石膏硬化體，利用抗壓、抗折試驗(yàn)，對(duì)3D打印成型材料進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，明確其整體分層、層內(nèi)分線(xiàn)的排布結(jié)構(gòu)，在各向異性基礎(chǔ)上建立了3D打印實(shí)體的力學(xué)模型。使用3D噴印方式，一般用于形成外形較為簡(jiǎn)單的實(shí)體，此類(lèi)材料直接用于機(jī)械結(jié)構(gòu)，是否能夠滿(mǎn)足力學(xué)性能要求有待進(jìn)一步研究。

聶建華等人報(bào)道了合成羥基丙烯酸共聚樹(shù)脂粉末并將其應(yīng)用于3D打印的研究工作，使用水作為粘結(jié)劑，通過(guò)三維噴印的方式，制備具有一定柔韌性的產(chǎn)品[7]。使用聚合物顆粒噴射粘結(jié)制得的3D噴印產(chǎn)品內(nèi)部顆粒不規(guī)則、堆積疏松、粘結(jié)強(qiáng)度低，表現(xiàn)為材料抗彎和抗壓強(qiáng)度均不高，僅適用于對(duì)力學(xué)性能要求較低的場(chǎng)合。

2.熔融沉積成型（FDM）

熔融沉積成型將原料以熔融的液態(tài)從噴頭擠出，按照設(shè)計(jì)的路徑沉積凝固成型，經(jīng)過(guò)逐層熔融沉積過(guò)程，得到立體的3D打印產(chǎn)品[8]。這類(lèi)3D打印技術(shù)設(shè)備成本低，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，一般使用ABS、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等等熱塑性高分子材料。熔融沉積成型3D打印的制成品成型過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低廉，具備一定力學(xué)性能。即使對(duì)于熔融態(tài)溫度要求較低的高分子原料，300℃左右的溫度也會(huì)對(duì)尺寸精度造成一定影響，肖亮等人即對(duì)3D打印噴頭和相連組件的溫度影響進(jìn)行分析和優(yōu)化，使用聚酰亞胺粉末壓模進(jìn)行3D打印相關(guān)專(zhuān)利已有報(bào)道[9]。

齊樂(lè)華等人介紹了基于均勻金屬微滴噴射的3D打印技術(shù)分類(lèi)，討論此方法在成型過(guò)程中對(duì)尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量等材料參數(shù)的影響因素，如分層厚度、掃描步距、熔融液滴溫度、基板溫度等[10]。使用金屬原料的熔融沉積3D打印技術(shù)，可有效調(diào)節(jié)金屬液滴尺寸、飛行速度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成型產(chǎn)品的形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制，對(duì)于直接制造復(fù)雜機(jī)械零件有重要意義。鋁、鋼、鉛錫合金等金屬材料可熔融沉積成型已有報(bào)道，金屬微滴噴射直接成型的鋁材，內(nèi)部晶粒尺寸均勻細(xì)小，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均高于鑄造鋁材。使用低熔點(diǎn)熔融金屬進(jìn)行3D打印是熔融沉積模式中較為特殊的一類(lèi)，通過(guò)特定種類(lèi)的低熔點(diǎn)合金，在略高于常溫的條件下實(shí)現(xiàn)固液相轉(zhuǎn)換，能形成形狀特定的電路板或電子元器件。由于低熔點(diǎn)金屬本身的力學(xué)性能不高，這類(lèi)技術(shù)主要用于制備電子功能材料。

3.光固化立體印刷（SLA）

利用光聚合反應(yīng)制備材料早已有之，將用于觸發(fā)聚合反應(yīng)的光照條件進(jìn)行區(qū)域、范圍、順序上的設(shè)計(jì)，使用計(jì)算機(jī)控制光束逐點(diǎn)掃描各個(gè)分層截面，能夠?qū)崿F(xiàn)以液態(tài)光敏樹(shù)脂為原料，逐層固化聚合獲得3D打印成型產(chǎn)品。通過(guò)光固化立體印刷制得的產(chǎn)品尺寸精確、力學(xué)強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定，是目前使用范圍最廣、適應(yīng)性和通用性最強(qiáng)，加工精度最高的3D打印技術(shù)，結(jié)合CAD設(shè)計(jì)和成型工藝優(yōu)化，能夠用于高精度零件制造，利用紫外光進(jìn)行光固化立體印刷工藝已經(jīng)有相關(guān)專(zhuān)利報(bào)道[11]。

光固化立體印刷也被用于制造模具或輔助改良模具，連芩等人使用3D打印技術(shù)，制備聚乳酸（PLA）/β-磷酸三鈣（β）生物陶瓷符合材料支架，將聚乳酸灌注到生物陶瓷管道中，在陶瓷燒結(jié)后形成具有特殊孔道結(jié)構(gòu)的生物陶瓷。在光聚合過(guò)程中，陶瓷作為乳酸聚合的支架，形成有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的填充聚合物；在材料最終制備過(guò)程中，3D打印制備的聚乳酸起模具作用。

用于直接成型的光固化原料包括聚富馬酸二羥丙酯、聚丙交酯、聚己內(nèi)酯、聚碳酸酯等，在個(gè)性化需求與尺寸精度要求高的醫(yī)用高分子材料領(lǐng)域，研究報(bào)道眾多。由于光固化過(guò)程從液態(tài)原料中獲得固體產(chǎn)品，對(duì)于液態(tài)原料成分細(xì)微調(diào)節(jié)能實(shí)現(xiàn)光固化產(chǎn)品成分的梯度變化，進(jìn)而產(chǎn)生一系列具有梯度分布的物理、化學(xué)性質(zhì)。在梯度功能材料的合成方面，田小永等人利用光固化樹(shù)脂和介電常數(shù)變化的混合液體為原料，制作了能實(shí)現(xiàn)調(diào)控入射電磁波傳播方向的電磁波元器件梯度功能材料[12]。荷蘭研究者報(bào)道了使用

3D打印制備具有梯度結(jié)構(gòu)和特定外形的覆銀濾光鏡的技術(shù)，用于將更多的光能匯集在太陽(yáng)能電池膜上，推動(dòng)太陽(yáng)能電池的性能提升[13]。

無(wú)論骨骼修復(fù)材料，或是形成零件模具，均具備一定的力學(xué)性能。對(duì)于依靠化學(xué)鍵連接形成的光固化立體印刷3D打印材料，其力學(xué)性能較其他類(lèi)型3D打印材料有一定優(yōu)勢(shì)。若光固化3D打印材料的組分的梯度不用于產(chǎn)生漸變的功能材料，而是用于強(qiáng)化特定方向的力學(xué)性能，則完全可能制造出性能優(yōu)于組分相同而成分均一的機(jī)械零部件。

4.選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)基于離散堆積制造原理，將零件模型文件沿著Z軸方向分層，儲(chǔ)存零件的截面信息，利用激光加熱作用，將固態(tài)粉末材料逐點(diǎn)逐層熔融粘結(jié)，最終形成零件模型或零件。與熔融堆積成型相比，選擇性激光燒結(jié)能夠產(chǎn)生更高的加工溫度，而不會(huì)受限于噴嘴和相關(guān)控制機(jī)構(gòu)的溫度承受能力，因此能夠?qū)Ω叻肿?、陶瓷、金屬粉末等多種原料進(jìn)行加工，且加工速度快。選擇性激光燒結(jié)雖然也能生產(chǎn)力學(xué)性能較好的產(chǎn)品，但其表面粗糙需后續(xù)加工，尺寸和材質(zhì)均勻程度不及光固化立體印刷，而且在激光燒結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵與氣體污染。

史玉升等人報(bào)道了用于選擇性激光燒結(jié)的高分子復(fù)合材料制備方法，介紹了結(jié)晶型與非結(jié)晶型高分子材料在選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中的差異，并提出高分子納米復(fù)合材料用于3D打印的研究前景[14]。

二、3D打印技術(shù)與槍械制造

1.3D打印與槍械制造能力

對(duì)于國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、高校和公共圖書(shū)館，3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)與科研已是大勢(shì)所趨，這就意味著這一技術(shù)將迅速為公眾和受教育者所周知[15]。至2013年4月，國(guó)內(nèi)3D打印已有1 600件以上的公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)，集中在發(fā)明專(zhuān)利，說(shuō)明3D打印已進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，雖然以技術(shù)研究為主，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展程度尚不高，但表明3D打印技術(shù)的研究發(fā)展熱度。然而，3D打印不僅可用于設(shè)計(jì)方案、制造裝配檢驗(yàn)、樣品制造與性能測(cè)試、實(shí)體可視化、個(gè)性化定制等前期開(kāi)發(fā)工作，且能進(jìn)行模具與零件的快速小批量工業(yè)制造，這就使槍械制造過(guò)程有可能通過(guò)民用設(shè)備使用3D打印的方式完成。

3D打印目前已經(jīng)開(kāi)始用于多種飛機(jī)零部件的制造，其中包括機(jī)翼等關(guān)鍵部件也在研發(fā)過(guò)程中[16]，這表明，3D打印材料的力學(xué)性能能滿(mǎn)足槍械關(guān)鍵部件的需要。

一般來(lái)說(shuō)，3D噴印類(lèi)方法制備的工件難以適應(yīng)槍支對(duì)力學(xué)性能的要求，而文中介紹的其他3種3D打印方式均能滿(mǎn)足。在以下介紹的槍械制造實(shí)例中，熔融沉積成型與選擇性激光燒結(jié)報(bào)道較多，光固化方法較少出現(xiàn)。據(jù)推測(cè)，部分原因在于光固化制備與熔融沉積成型均使用高分子為主要材料，而制備成本高于熔融沉積成型。

2.3D打印槍械現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，使得槍械愛(ài)好者與制造商開(kāi)始嘗試在槍械制造中使用該技術(shù)。2013年5月，世界首支3D打印槍支由Defense Distributed公司使用熔融沉積成型的3D打印技術(shù)，通過(guò)ABS工程塑料制造而成[17]。雖然在學(xué)術(shù)刊物上，3D打印槍械在嚴(yán)肅的科研報(bào)道中僅被零星提及，但公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)媒體已經(jīng)大量報(bào)道3D打印槍械的制造案例，各種3D打印槍支圖紙也大量出現(xiàn)。

3D打印槍械分為全部3D打印與部分3D打印，全部3D打印制造的槍械，除擊針等少數(shù)部件使用普通制成材料，各個(gè)零部件均由3D打印材料構(gòu)成；而在部分3D打印的報(bào)道中，形狀的機(jī)匣、彈匣以及內(nèi)部機(jī)件通過(guò)3D打印制備，實(shí)現(xiàn)與普通槍械相應(yīng)零部件的尺寸互換與功能替代。

3D打印槍支從3D打印槍支零部件起步，最初是為了降低部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)件的制造成本，如機(jī)匣、彈匣等部位。使用高分子材料3D打印的槍支零部件，一般仍需要與金屬槍管等部件組裝，才能實(shí)現(xiàn)槍支性能。目前，通過(guò)熔融沉積成型技術(shù)打印的ABS機(jī)匣，已經(jīng)能夠用于AR系列突擊步槍上，并正常發(fā)射1000發(fā)以上；類(lèi)似制造工藝的彈匣，在格洛克手槍上也得到使用；扳機(jī)、連桿、定位銷(xiāo)等機(jī)件目前也均能通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，上述機(jī)件不需要在射擊過(guò)程中承受沖擊力，因此塑料材質(zhì)能滿(mǎn)足需求。槍支制造者將3D打印技術(shù)與數(shù)控機(jī)床結(jié)合起來(lái)，綜合使用工程塑料與金屬材料，即能夠完成槍支大部分零部件的制造，并拼裝出完整槍支。

芬蘭技術(shù)人員在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，使用ABS材料制造解放者型手槍的槍管，在一次射擊后，槍管就會(huì)發(fā)生炸裂，槍支不僅損壞，而且對(duì)持槍者帶來(lái)安全威脅；而如果將槍管材料更換為環(huán)氧樹(shù)脂，則能顯著提升其耐用性。

為了解決3D打印聚乳酸或ABS槍支低效能的問(wèn)題，基于新西蘭的MarkForged公司開(kāi)發(fā)的能夠打印碳纖維復(fù)合材料的3D打印機(jī)，碳纖維材料被用于3D打印槍支制造，能夠獲得ABS材料20倍剛度和5倍強(qiáng)度。美國(guó)槍支制造者使用不銹鋼管充當(dāng)3D打印塑料槍支的內(nèi)管，使槍支壽命大為提升。

隨著技術(shù)進(jìn)步，金屬材料質(zhì)地的3D打印槍支開(kāi)始出現(xiàn)，相比熔融沉積成型，選擇性激光燒結(jié)更適合金屬材料的3D打印。最初的嘗試始于3D打印金屬槍支零部件，如消音器、消焰器等較復(fù)雜結(jié)構(gòu)等，目前這些金屬零部件已應(yīng)用于5.56mm口徑步槍。2013年11月，Solid Concepts公司使用粉末金屬通過(guò)選擇性激光燒結(jié)工藝，仿柯?tīng)柼?911，制造了世界上首支3D打印金屬槍支，全槍由不銹鋼和鎳合金制成，護(hù)板使用碳纖維尼龍復(fù)合材料[18]。這類(lèi)全金屬3D打印槍支造價(jià)昂貴，最初接近100萬(wàn)美元，成本遠(yuǎn)超過(guò)聚合物打印的槍支。

3.3D打印槍械制造對(duì)公共安全的影響

2013年，Defence Distributed公司獲得美國(guó)聯(lián)邦政府發(fā)放的3D打印槍支的制造和銷(xiāo)售執(zhí)照，到2014年初，該公司已接到價(jià)值百萬(wàn)美元的3D打印槍支訂單。

由于3D打印技術(shù)的普遍易傳播，對(duì)于無(wú)執(zhí)照的3D打印槍支，2013年以來(lái)，各發(fā)達(dá)國(guó)家公共安全機(jī)構(gòu)先后開(kāi)始籌劃對(duì)策。英國(guó)國(guó)家犯罪調(diào)查局已開(kāi)始研究3D打印槍支帶來(lái)的安全威脅，曼徹斯特等地方警察機(jī)構(gòu)也正在關(guān)注3D打印槍支零部件問(wèn)題。美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)法案，紐約、費(fèi)城、加州、佛羅里達(dá)州等地通過(guò)地方法案，禁止或以不同方式限制3D打印技術(shù)在槍支制造中的應(yīng)用。澳大利亞新南威爾士州、昆士蘭州警方正在推動(dòng)立法，規(guī)定持有3D打印槍支需特別執(zhí)照，禁止在互聯(lián)網(wǎng)上傳播3D打印槍支圖紙。2014年，在槍支管理嚴(yán)格的日本，警方首次在刑事案件中發(fā)現(xiàn)嫌疑人在家中使用3D打印機(jī)非法制造轉(zhuǎn)輪手槍等槍支。

3D打印企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了用于3D打印機(jī)軟件的內(nèi)置槍支零部件技術(shù)特征檢測(cè)程序，包括特殊內(nèi)徑圓筒、擊針與特定彈簧形狀等的自動(dòng)檢測(cè)，一旦待打印制造物與這些特征有重合之處，將自動(dòng)停止3D打印操作，以防止槍支關(guān)鍵零部件的制造。運(yùn)輸企業(yè)對(duì)于可能用于制造槍支的3D打印裝置表示承運(yùn)投遞方面的擔(dān)憂(yōu)。

四、結(jié)語(yǔ)

槍械的3D打印一經(jīng)提出，就成為 3D打印的發(fā)展熱點(diǎn)。3D打印技術(shù)的日新月異，以最典型的方式展現(xiàn)了新技術(shù)的發(fā)展對(duì)公共安全領(lǐng)域的影響。面對(duì)廣泛傳播且成本不斷降低的新制造技術(shù)，一方面通過(guò)立法與管理對(duì)3D打印槍支進(jìn)行引導(dǎo)和規(guī)范，另一方面應(yīng)當(dāng)跟蹤最新3D打印技術(shù)及其在槍支制造上的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期從容面對(duì)可能出現(xiàn)的槍支管制、持槍犯罪、涉槍訴訟和物證分析情況。

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