3D 打印技術(shù)在火工品和炸藥中的應(yīng)用研究

■ 張晨凱 張敏 付思達

引言

3D 打印技術(shù)是科學技術(shù)發(fā)展研究的結(jié)果，有重要的研究價值。自制造出3D 打印技術(shù)后，被世界科技學者進行了重點關(guān)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(shù)列為國家戰(zhàn)略發(fā)展的一個方向，并堅信隨著3D 打印技術(shù)的成熟和發(fā)展應(yīng)用，必將在國防科技發(fā)展中展現(xiàn)出不可忽視的力量。僅僅在發(fā)展之初，3D 打印技術(shù)就在航空航天、船舶以及兵器中的應(yīng)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(shù)在炸藥中的研究

1.1 國外3D 打印技術(shù)在炸藥中的研究

3D 打印技術(shù)在炸藥中的研究有所突破和發(fā)展，尤其可以借助計算機的輔助設(shè)計，加快精密設(shè)備和特殊結(jié)構(gòu)的炸藥裝藥效果，具有靈活性、安全性以及可靠性。研發(fā)的周期短，表1 為國外3D 打印技術(shù)在炸藥中的應(yīng)用情況。

表1 國外3D 打印技術(shù)在炸藥中的應(yīng)用情況

表1 國外3D 打印技術(shù)在炸藥中的應(yīng)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(shù)的研究，并將其技術(shù)充分的應(yīng)用在國防領(lǐng)域，實現(xiàn)對火工品的裝藥應(yīng)用。并對其進行制造創(chuàng)新，武裝于軍隊，美國海軍陸戰(zhàn)隊已在有關(guān)方面進行了水下作戰(zhàn)試驗，如圖1所示。

圖1 美國海軍陸戰(zhàn)隊3D 打印異形彈藥

美國海軍已安裝3D 打印技術(shù)，嫻熟的運用技術(shù)，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(yè)的技術(shù)設(shè)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(shù)，并在2020年對外進行了展示，采用研制的彈藥樣品設(shè)計特定的形狀，個性化的設(shè)計展現(xiàn)出不同的爆炸效果，通過研究創(chuàng)新，將3D 打印技術(shù)完成復(fù)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(shè)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(nèi)3D 打印技術(shù)在炸藥中的研究

目前，國內(nèi)3D 打印技術(shù)進行研究創(chuàng)新，一定程度上可以進行自主研發(fā)，尤其是對炸藥的研究，和國外的研究所相一致，國內(nèi)的部分高校也建立了專業(yè)的從事3D 打印技術(shù)的研究團隊，針對相關(guān)的技術(shù)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(shù)可以很好的運用在炸藥中，針對出現(xiàn)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(tǒng)的炸藥消耗量及影響范圍。過程相對較為復(fù)雜，影響因素多，異型產(chǎn)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(qū)動壓力的研究建議，為3D 打印PBX 炸藥裝藥工藝設(shè)計提供了參考。專業(yè)人員利用3D 打印技術(shù)設(shè)計制造出了以TATB 和CLˉ20 兩種炸藥體系構(gòu)筑的3 種復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)藥柱，驗證了3D 打印技術(shù)適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)炸藥裝藥，并且通過特殊的裝藥結(jié)構(gòu)改善了CLˉ20 炸藥藥柱的機械結(jié)構(gòu)。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(zhàn)斗部炸藥裝藥。

大尺寸炸藥的發(fā)展研究很有必要，時代在發(fā)展，科學技術(shù)也在不斷的進步。針對3D 打印技術(shù)，如何將其作用進行有效的發(fā)揮，使之在軍事領(lǐng)域發(fā)揮自己的優(yōu)勢，專業(yè)人員需要進行深度的研究。大尺寸的炸藥裝藥技術(shù)，目前在特定的研究所進行了大量的復(fù)雜的技術(shù)試驗，推進大尺寸裝藥柱試驗，制造出了相關(guān)的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的推進和炸藥的物理狀態(tài)，在一定的溫度下進行了一定的變化，針對這樣的現(xiàn)象，專業(yè)人員研究了光固化推進劑，從而提高了3D 打印技術(shù)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(fā)動機對裝藥方面的力學要求，進行了研發(fā)申請并注冊了專利。

2.3D 打印技術(shù)在炸藥領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢分析

現(xiàn)代的軍事、武器方面的優(yōu)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(fā)不斷升級和優(yōu)化，根據(jù)不同形勢的需要，研究武器的功能也越發(fā)全面。炸藥的研發(fā)是很重要的一部分，3D 打印技術(shù)的問世使得軍事的發(fā)展又有了進步，其技術(shù)在炸藥領(lǐng)域的應(yīng)用有很大的優(yōu)勢。就傳統(tǒng)的炸藥而言，其工藝相對簡單，通過觸發(fā)炸藥引信使其發(fā)揮威力，相對于3D 打印技術(shù)，可以采用計算機技術(shù)設(shè)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(shù)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(xiàn)的裝藥任務(wù)，通過設(shè)計簡易的裝藥柱，空心藥柱的研發(fā)配合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝藥制造，使更合適的樣品應(yīng)用在炸藥裝藥柱方面，相比傳統(tǒng)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(shù)在軍事上進行應(yīng)用，很大程度上提高了軍事材料的節(jié)約，避免出現(xiàn)浪費的情況，這種技術(shù)的應(yīng)用，通過對炸藥柱的簡化設(shè)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(yīng)用3D 打印技術(shù)，不需要進行重復(fù)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(zhì)量得到了一定的保障，促進了裝藥的專業(yè)化、工業(yè)化，自動化、安全化，生產(chǎn)過程也更加有序，也對作業(yè)人員的工作環(huán)境得到極大的改善。

3D 打印技術(shù)通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的，控制制造打印噴嘴，實現(xiàn)炸藥裝藥程序，通過計算機技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備，使得裝藥更加的均勻。打印成型后的炸藥樣品內(nèi)部仍然保持這種狀態(tài)，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(shù)快速、精準、高效、安全、節(jié)約材料等很多的特點，使得這種技術(shù)在現(xiàn)今的發(fā)展越發(fā)必要，與傳統(tǒng)的裝藥手段形成鮮明的對比，可以借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)制造，通過設(shè)計藥柱模型，很直觀的展現(xiàn)在人們的眼前，使得制造生產(chǎn)更加信息化和專業(yè)化。

3 結(jié)語

3D 打印技術(shù)在今后的發(fā)展中會得到重視，尤其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，其優(yōu)勢相當明顯，很多國內(nèi)外的學者均對其進行大量的研究，發(fā)現(xiàn)3D 打印技術(shù)在炸藥方面的應(yīng)用前途很廣，頂層的設(shè)計，研發(fā)的力度也會加大。軍事領(lǐng)域的研發(fā)具有一定的特殊性，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料生產(chǎn)技術(shù)，建立3D 模型，直觀的應(yīng)用在炸藥方面，數(shù)字化的管理，對未來軍事發(fā)展搶占一定的先機。目前的研發(fā)還處于初級階段，今后的大尺寸藥柱的研發(fā)是主要方向之一，炸藥領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，材料規(guī)格以及適應(yīng)性的問題，都有待進一步的研究，在不斷的科技研發(fā)的過程中，研發(fā)技術(shù)會逐漸成熟化，在技術(shù)的發(fā)展中提升應(yīng)用的實際效果，在軍事領(lǐng)域的發(fā)展前途將會更廣。