增材制造技术以及在火炸药研究中的现状与发展❋

张 亮 刘 晶 张 哲 马 宁 孙晓朋中国兵器工业集团第二〇四研究所（陕西西安，710065）

★基础理论

增材制造技术以及在火炸药研究中的现状与发展❋

张 亮 刘 晶 张 哲 马 宁 孙晓朋
中国兵器工业集团第二〇四研究所（陕西西安，710065）

首先，介绍了增材制造技术的概念与技术特点，回顾与总结了其产生与发展的技术历程；其次，陈述了增材制造在国防军工领域应用的现状与取得的成果；接下来，重点阐述了增材制造在火炸药行业的国内外研究现状，介绍了目前国内推进剂药柱增材制造的阶段性研究成果；最后，对火炸药增材制造技术发展方向进行了预测。指出在火炸药增材制造领域，国内外研究差距不大；未来若干年火炸药增材制造技术的发展主要集中在火炸药先进装药、火炸药一体化制造以及火炸药微型特种装备制造这3个领域。

增材制造技术；发展历程；国防军工；火炸药；研究现状；发展方向

引言

增材制造技术根据材料累加理论、计算机控制实现三维模型的分层加工、迭加成型，以点、线、面、体的升维叠加堆积成型实体产品，过程不需要工装夹具，可制造任意形状的零件，特别适用于传统加工工艺难以或无法成型的特殊、复杂产品的制造［1］。增材制造技术作为一种先进的制造技术，涵盖了数字化设计、制造、管理和集成，顺应当今数字化发展的趋势，可实现设计、制造、成型一体化完成，缩短了产品的研制时间，节约了研发成本，并且制造材料被充分利用，基本无耗损，可实现自动、精确、快速、直接的数字化制造过程［2］。增材制造技术的以上特点十分适合于国防军工领域众多装备的特殊零部件与结构的制造，将最优设计从理想变为现实，减轻质量，提升功能，使产品更加精密，达到传统工艺无法实现的功能与效果。

未来武器装备精密控制与精确打击的发展趋势必然促使推进与毁伤单元向多样、异形、精巧的方向发展，导弹发动机与战斗部需破解多层材料装药、复杂形状装药、高精度装药等问题［3-4］。针对增材制造技术本身的特点与优势，借鉴国防军工的成功经验，开展增材制造技术在火炸药领域的相关基础性研究，未来可以将其应用于火炸药行业的生产制造中。

增材制造技术为多层、异形、微型药柱的制造提供了一条全新的途径，并发展出增材制造技术的分支——火炸药增材制造技术。火炸药增材制造技术综合考虑火炸药增材制造过程中的物料特殊性、工艺适用性与安全性等问题，运用增材制造的基本原理，针对火炸药物料体系的特征，设计全新的火炸药增材制造系统或者在现有成熟的增材制造装置基础上进行改造，最终形成一系列能够支撑火炸药产品增材制造的工艺与设备。

本文中，笔者在总结增材制造技术的发展历程以及其在国防军工领域的发展应用的基础上，针对性阐述了其在火炸药制造领域的研究现状与发展趋势，最后给出了几点结论。

1 增材制造技术以及火炸药增材制造的研究现状

1.1增材制造技术历史沿革

增材制造的前身是快速原型技术（rapid prototyping，简称RP技术）［5］。1979年，中川威雄在东京创造了叠层模型造型法，实现了成型模具、冲裁模具和金属注塑模的分层制造［6］。美国的Hebert、Hull与日本的小玉秀男等人，开创性地分别提出了分层制造三维实体的理念［7］。1984年，Hull构建了一套立体激光快速成型装置，该系统能自动制造零部件，并依据其技术创新性于1986年获得专利，简称SLA［8］；同年，Hull等人创建3D Systems，该公司致力于发展增材制造技术，并在全世界范围内率先研发出SLA设备，这是增材制造技术发展史上的重要节点事件［9］。

随着扫描振镜性能的提高以及材料科学与计算机技术的发展，增材制造技术进入了快速发展阶段，新成型原理及相应的系统相继开发成功。1984年，Michael掌握了薄材叠层的原理，简称LOM，并于1992年制造出世界上首台商业LOM增材成型系统LOM-1015［10］。1986年，Deckard提出了选择性激光烧结的方法，简称SLS，经过不懈努力，终于在1992年研发出了SLS商业成型系统［11］。Crump在1988年提出了熔融成型的思想，简称FDM，并于1992年开发了第一台商业机型FDM-Modeler［12］。1991年，麻省理工学院的Scans和Cima等人申报了关于三维实体印刷制造技术的专利，并于1995年创造了“3D打印”这个名词［13］。1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出Actua 2100、Genisys、Z402，首次将它们定义为3D打印机，从而使增材制造技术发展到3D打印阶段［14］。至此之后，增材制造技术与3D打印技术相互融合、相互渗透，不断向前发展。

自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了有关3D打印的自主研发工作。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面走在了前列［15］；华中科技大学在分层实体制造工艺方面具有学科优势，已推出了HRP系列成型机和成型材料［16］；西安交通大学自主研发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2 mm［17］；中国科技大学自行研制的8喷头组合喷射装置未来有望应用于微制造，如光电器件制造等领域［18］。

20世纪90年代末至今，增材制造技术的发展进入黄金时期，目前SLA、LOM、SLS和FDM 4种技术已经成为了增材制造的主流技术，不断有将其应用于机械加工、生物医学、建筑、珠宝、电子消费品等行业的报道，特别是近3～4年。增材制造技术发展重要节点见表1。

表1　增材制造技术发展重要节点［19-22］Tab.1 Key notes in development of additive manufacture［19-22］

1.2增材制造技术在国防军工的应用现状

增材制造技术在国防军工领域应用较多，大多用作整体成型或零部件精密加工［23］。2012年的夏天，驻守在阿富汗的士兵使用3D打印机制造雷达防护隔离罩。2014年1月，3D Systems公司对外宣布:工业级3D打印机目前已经可以制造航空发动机的复杂零部件，从而有效减轻发动机质量［24］。2014年10月，美国海军实施了一项“舰艇打印”计划，即在舰艇上建立3D打印商店，士兵们可以在里面生产出需要的产品［25］。NASA、GE、Boeing、Airbus等航空航天巨头将3D打印技术应用于卫星、飞机引擎以及载人航天器等复杂部件的制造，包括卫星支架、复杂内流道的叶片、燃料喷嘴、空气通风管道、机翼与尾翼以及复杂装配工具等，其中，LEAP发动机、Orion多用途载人航天飞船、F/A-18超级大黄蜂战斗机、F-35战斗机以及Juno宇宙飞船等项目已经将DMD、DMLS、EBM、FDM、SLS等增材制造技术成功应用［26-29］。见图1和图2。

我国自主研发的大型运输机运-20中，许多零部件的制造都采用了增材制造技术；歼-15战斗机的钛合金主承力部分，包括整个前起落架的研制，均采用了增材制造技术［30］（图3）。2013年1月，北京航空航天大学王华明教授在飞机钛合金整体主承力结构件激光快速成型工艺研究中获得了突破性成果，团队利用3D激光打印技术，成功制造出C-919大型客机风挡窗框结构，各项性能指标均符合标准，从而使我国成为目前唯一利用激光3D技术成型钛合金大型主承力核心组件，并在飞机上成功应用的国家［31］。

1.3增材制造技术在火炸药领域的研究现状

目前，火炸药增材制造领域的研究主要集中在含能油墨配制、含能芯片与传爆网络的打印等方向［32］。早在1999年，美国国防高级研究计划局便开始研究含能材料的增材制造技术，其主要技术手段是将火工品中所需的不同组分（包括含能组分）、黏结剂和有机溶剂配置为可打印的含能油墨，装入3D打印机的喷头中，分别或同时打印到基片特定位置上，然后烘干，并固化成型为引信中的传火传爆序列，直接完成绝大部分或者全部火工芯片装药，形成微机电系统（MEMS）推进芯片［33］，如图4所示。2010年，Ihnen等以RDX作为含能原料，乙酸乙酯纤维素和聚乙酸乙酯作为黏结剂，配制成含能油墨打印材料，进行引信直写入的试验，所得RDX含能油墨适合于喷墨打印体系，得到了符合要求的含能材料油墨图形，并且分辨率高［34］，如图5所示。同年，Fuchs等以EDF-11作为含能油墨原料，配制出可进行复杂图形爆炸传递及起爆网络打印的含能油墨直写体系［35］。

国内方面，2003年，许迪研究了将增材制造技术应用于化学芯片制造的可能性，按照SLA成型原理，设计、搭建了试验平台［36］。2005年，朱锦珍利用光固化树脂模拟含能材料物料特性，阐述了含能材料反应固化原理，尝试配置了若干光固化成型组分配方，并分别进行光固化树脂类配方的固化剥离强度测试［37］。2006年，王建探索了基于喷墨的增材制造技术在化学芯片和微观装药方面的应用，初步构建了基于喷墨的增材制造装置，设计优化了喷射挤出喷头，并利用模拟仿真的手段，研究了出料过程微流体流动状况，为将增材制造技术应用于MEMS推进芯片自动装药领域奠定了技术基础［38］。2012年，邢宗仁对基于斯蒂芬酸铅（LTNR）含能油墨体系增材制造技术进行了研究，确定了适合于该体系成型匹配度较高的针头尺寸［39］。2013年，朱自强以细化的CL-20做为含能原料，选用聚乙烯醇（PVA）和乙基纤维素（EC）作为黏结剂，水和异丙醇（IPA）作为溶液，配制成一种可书写的炸药油墨复合物CL-20/PVA/H2O/EC/IPA，对不同黏结剂和溶剂以及其配置比例对含能油墨性能的影响进行了研究，并进行了对比分析［40］。

南京理工大学、中国兵器第二〇四研究所、北京理工大学、北化集团等多家单位都提出了增材制造技术在推进剂药柱制造领域的应用设想。其中，南京理工大学在国内率先开展了增材制造技术在固体推进剂体系成型方面的可行性研究，验证了复杂结构的火药采用增材制造成型的可行性。通过研究，提出了对原有成型系统结构改进和新的成型系统设计方案，为进一步研究开发可以满足制式推进剂产品的工程样机奠定了良好的基础［41］。有关的前期研究进展包括以下几个方面:

1）硬件系统的构建。分别研制和改造了开源型单喷头机器、双喷头样机（图6）及有效成型尺寸为250 mm×800 mm的成型试验平台，并在这些样机上开展了火药智能成型的可行性研究，提出了系统改进和新系统的设计思想。通过惰性物料、推进剂包覆材料以及接近真实配方的模拟推进剂物料成型加工试验，掌握了这些物料在原理样机上的成型规律，为典型推进剂的成型新工艺研究积累了经验和基础数据［42］。

2）系统局部结构及控制系统的改造研究。开展了原理样机加热系统改造初步研究，通过加热控制系统的改进研究，提高了喷头出料温度的控制精度，温度偏差大幅度缩小，从±10℃降低到±5℃以内。开展了原理样机出料系统改造研究，出料的改进研究大幅度提高了成型效率，在基本不降低尺寸精度的前提下，成型速度从（3～5）g/h提高到（20 ～80）g/h。开展了原理样机控制系统和局部结构的改造研究，通过固件和结构改造，可以将成型高度提高3倍，对成型的尺寸精度基本没有影响［43］。

3）双基体系和高固含量的推进剂体系增材制造成型可行性研究。开展了双基和改性双基推进剂物料体系的成型试验研究，结果表明，现有的工艺和设备条件无法满足双基及改性双基火药的成型需要，必须研究开发新的硬件系统，核心是新的供料和成型部件。采用固体氧化剂质量分数为30% ～50%的模拟推进剂物料，成功地制备了小尺寸的推进剂样品，样品密度已经达到理论密度的95%以上，获得了适宜的工艺参数［44］。见图7。

中国兵器第二〇四研究所前期开展了一定的工作，如利用SLA技术成型光固化剂与Al粉的混合物料，利用代料体系模拟HTPB推进剂配方体系，并利用活塞挤出式增材制造技术进行成型试验等，论证了增材制造技术在推进剂药柱成型领域应用的可行性，见图8～图9［45］。

2 火炸药增材制造技术发展展望

随着增材制造技术工艺、材料、设备研发的技术革新，加之火炸药行业在产品质量、工艺自动化与安全性上的现实需求，未来火炸药增材制造技术将向纵深发展。探索增材制造技术在战斗部精密制造、发动机推进剂药柱柔性制造与精密装药、战斗部与发动机一体化制造、弹体装药与包覆层一体化成型、多层复合药柱一体化制造、传爆起爆药柱3D打印制造、微型特种装备3D打印制造加工等方面的研究，将是火炸药增材制造技术今后若干年发展的重点领域。

归纳起来有以下3个重点发展方向。

2.1火炸药先进装药

火炸药装药是武器系统不可或缺的重要组成部分，作为武器系统的动力源和毁伤源，在实现武器系统的功能中发挥了重要作用。现代战争对武器装备的要求越来越高，如具有超远程精确打击能力以及高效毁伤能力。因此，武器系统对火炸药装药也提出了更高要求，要求具有更高的能量，具有更加复杂的装药结构、更加精确的能量释放控制［46］。传统的火炸药装药成型技术（熔铸、浇铸、粒铸、挤压）存在诸如在制量大，生产周期长，人员与生产现场未隔离，原材料利用率低，对高固含量、药柱截面较为复杂及大尺寸装药无法成型，加工工序繁琐，后处理（如车药、整形）工序复杂等缺点，因而无法满足现代战争对火炸药装药提出的更高要求［47］。增材制造技术有望解决火炸药装药工艺中存在的上述问题，尤其可以成型具有复杂截面的异形装药，多层多材料装药，微型、高固含量的装药等传统火炸药工艺无法成型的药柱。将火炸药增材制造技术应用于火炸药装药可实现精确、柔性、安全、快速化制造；有效提高原材料利用率，降低三废排放，是一种真正实现人机隔离、自动化操作的绿色火炸药成型工艺。同时，可有效降低制造成本，省去大量的设备费、模具制作费用及产品后续加工费用，大幅减少工房使用面积，减少一线操作员工数量，减少在制量，降低安全风险。有报道称，国外已经开展增材制造技术在火炸药装药领域的研究，美国开发出一种新的装药成型手段，可以实现多品种单批次生产，生产周期相对传统工艺缩短近一倍，并且装药成型的精密度非常高，由于技术保密，目前没有相关资料。

2.2火炸药一体化制造

火炸药药柱与包覆层、壳体一道构成了发动机、战斗部的有机组成部分。目前的工艺需要将制造好的各类药柱装填进不同的壳体中，有些药柱为了控制燃烧面与燃烧速率，需要添加高分子包覆层。由于制造工艺的缺陷与制造精度的限制，火炸药药柱与其包覆层、壳体会产生匹配性问题。以自由装填式固体推进剂药柱包覆为例，目前为药柱添加包覆层基本采用纯人工，不仅费时费力，而且由于目前包覆层与药柱之间采用有机黏胶连接，人工赶胶不能保证连接的紧密性与完整性，特别对于球头赶胶更是如此，如果存在黏胶局部堆积或者气泡未赶出的情况，将会很大程度上改变药柱燃烧轨迹，易于形成热点，甚至发生膛炸，药柱就会存在极大的安全隐患，甚至使药柱不合格，成为废品［48］。

多喷头3D打印机目前已经可以实现不同材料的同时打印，如果将增材制造技术成功引入，不仅可一体化成型多层多材质药柱，还将有望实现火炸药药柱、包覆层、壳体等的一体化制造，并且药柱与包覆层、包覆层与壳体之间紧密贴合，其贴合度有望达到微米级别，完全不用担心有空气滞留在空隙处的问题。这样将会简化药柱制造的工艺环节，减少发动机、战斗部，甚至弹药、导弹的生产周期与制造工序，有利于实现自动化、数字化、一体化、柔性化与集成化制造，从而颠覆传统的火炸药制造理念，革新火炸药制造的技术手段，极大地提高行业的生产力与竞争力［49］。

2.3火炸药微型特种装备制造

几乎所有的火炸药制造工艺中都会用到特种装备，特种装备是基于标准装备的概念提出的，是指没有国家、行业统一标准，为了满足特殊、高危的反应、工艺、制造过程的需求的一类设备、仪器，其功能与用途的特殊性决定了其外观尺寸、内部结构与组合方式的特有性与独立性，微型反应器就属于微型特种装备的典型代表［50］。微反应器是微化工技术中的核心，是指尺寸在10～1 000 μm之间的反应器，具有反应比表面积大、反应条件温和、反应迅速、转化率高、安全可靠等突出优点［51］，十分适用于含能材料的合成反应工艺。微型反应器可以通过对成百上千的微型通道的有效集成，整体达到宏观上的效果，这样同样可以实现很高的产量，并且物料在分子级别充分接触、反应在微观层面充分进行，收率与转化率有望达到100%。但微型化工设备的制造一直以来是一个难题，其微米级的尺寸以及内部复杂的管道构型需利用先进的精密加工技术制造，增材制造技术的生产精度高，完全可以作为微型反应器制造的一个有效途径。

3 结论

1）增材制造技术也称3D打印技术，起源于快速原型技术（RP），经过30多年，特别是近十年的快速发展，技术不断进步与成熟，目前已形成了以SLA、SLS、FDM、LOM为代表的十几种增材制造技术手段，被应用于装备制造、生物医药、机械加工、建筑、珠宝、食品以及电子消费品等行业的产品与零件的制造。

2）增材制造在国防军工的应用取得了不少成果。国外已将增材制造技术应用于微小卫星支架、飞机引擎、机翼与尾翼以及载人航天器发动机中复杂部件如空气通风管道、燃料喷嘴等的制造；国内已将增材制造技术应用于大型运输机、大型客机以及新型战斗机零部件的生产，包括钛合金主承力部分、起落架等。

3）火炸药增材制造技术属于增材制造技术的分支，目前仍处于研究阶段。国外在火炸药领域的研究主要集中在含能油墨、含能芯片与传爆网络等方向；国内与国外研究方向与进度基本保持一致，研究基本处于同一水平。以南京理工大学、中国兵器第二〇四研究所等为代表的院校、机构积极开展推进剂药柱增材制造技术探索研究，在设备、工艺、材料等方向获取了一些成果。

4）未来火炸药增材制造技术将颠覆火炸药传统制造理念，将会提升火炸药制造连续化、自动化、集成化、柔性化水平，发展主要集中在火炸药先进装药、火炸药一体化制造以及火炸药微型特种装备制造等研究方向上。

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Additive Manufacture Technology and Its Research Status and Development in Propellant and Explosive Industry

ZHANG Liang，LIU Jing，ZHANG Zhe，MA Ning，SUN Xiaopeng
Institute of Xi'an Modern Chemistry Research，China North Industries Group Corporation（Shaanxi Xi'an，710065）

Concept and characteristic of additive manufacture was introduced at first，and its generation and development history were reviewed and summarized.Secondly，application status and achievement were recommended in national defense and military industry.What's more is that additive manufacture research status at home and abroad in propellant and explosive field was emphasized.Then，domestic phased results in propellant grain additive manufacture at present were introduced.There is invisible difference between home and abroad in propellant and explosive additive manufacturing field. Finally，the development direction of propellant and explosive additive manufacture was forecasted in the future years，including advanced propellant and explosive charge，propellant and explosive integrated manufacture，and propellant and explosive micro special equipment manufacture.

additive manufacture technology；development history；defense and military；propellant and explosive；research status；development direction

TH164；TJ55

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.001

2015-11-17

基础产品创新火炸药专项

张亮（1986-），男，硕士，工程师，主要从事火炸药工艺与设备的研究。E-mail:tianliang529@163.com