呂 碩 ，強(qiáng)洪夫 ,劉 英

(1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025； 2.西安航天信息研究所，西安 710025； 3.西安航天新宇機(jī)電設(shè)備有限公司，西安 710000)

0 引言

復(fù)合固體推進(jìn)劑作為含能材料的一種，廣泛應(yīng)用于固體火箭及各類(lèi)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器裝備中。在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用含智能可編輯元素的材料后，進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)復(fù)合固體推進(jìn)劑的4D打印[1-4]，這在復(fù)合固體推進(jìn)劑的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)領(lǐng)域具有很強(qiáng)變革性。增材制造技術(shù)(3D打印技術(shù))，是由打印物體的三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)打印設(shè)備，將顆粒狀、線材、粉末或漿料等材料逐層堆積成實(shí)物的技術(shù)[5-7]。增材制造技術(shù)按照成型特點(diǎn)可分為7類(lèi)，即材料噴射、材料擠出、粘合劑注射、立體光聚合、粉末燒結(jié)、薄片層疊及指向性能量沉積技術(shù)[7-9]。將增材制造技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合固體推進(jìn)劑的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，將會(huì)有如下優(yōu)點(diǎn)[10-12]：(1)解決傳統(tǒng)復(fù)合固體推進(jìn)劑混合-澆注-固化-脫模-整形工藝中存在的藥柱性能受藥型結(jié)構(gòu)的約束，通過(guò)打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如梯度裝藥)，實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)的變推力；(2)解決生產(chǎn)工藝周期長(zhǎng)問(wèn)題，提高藥柱設(shè)計(jì)-制備-試驗(yàn)的效率，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0智能裝藥奠定基礎(chǔ)；(3)減少傳統(tǒng)工藝及工藝間產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)戎T多危險(xiǎn)點(diǎn)，且通過(guò)隔離操作，減少人員與藥漿、藥柱和發(fā)動(dòng)機(jī)的接觸時(shí)間，有效提高生產(chǎn)安全性；(4)有望實(shí)現(xiàn)藥柱、襯層、絕熱層、殼體、噴管等其他組件進(jìn)行原位一體成型打印，減少零部組件的裝配，提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

為加快推進(jìn)復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造在工業(yè)上的應(yīng)用，需解決兩個(gè)重要難題：復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造設(shè)備及相應(yīng)工藝方法，以及適用增材制造的推進(jìn)劑配方體系。對(duì)于金屬等部件的增材制造，國(guó)內(nèi)外已有廠商研發(fā)出適用性強(qiáng)的商用打印設(shè)備，而對(duì)于復(fù)合固體推進(jìn)劑，因其能量處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)溫度控制要求高，且配方體系粘度高，打印成型過(guò)程中存在化學(xué)交聯(lián)和應(yīng)力釋放。因此，必須將增材制造設(shè)備及工藝方法，和配方體系綜合考慮，解決這兩個(gè)難題。

本文梳理了國(guó)內(nèi)外適用于增材制造的復(fù)合固體推進(jìn)劑、增材制造工藝及設(shè)備的研究現(xiàn)狀，總結(jié)當(dāng)前增材制造推進(jìn)劑、工藝和設(shè)備的研究趨勢(shì)、重點(diǎn)和熱點(diǎn)，為復(fù)合固體推進(jìn)劑盡早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用提出研究建議。

1 增材制造用熱固性復(fù)合固體推進(jìn)劑

CHANDRU[13]等研制出一種適用于材料擠出成型的復(fù)合固體推進(jìn)劑配方，藥柱形狀如圖1所示。

(a) Cross-section of CAD designed grain

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試驗(yàn)證，3D打印藥柱性能與傳統(tǒng)澆注藥柱相比差距較小。實(shí)驗(yàn)表明，在無(wú)任何支撐結(jié)構(gòu)的條件下，該配方能夠打印高100 mm、直徑24 mm的未固化藥柱；高度超過(guò)100 mm時(shí)，藥柱因自重出現(xiàn)彎曲變形。通過(guò)自制擠出成型設(shè)備打印出沿縱向密度不同、燃速不同的藥條。從圖2可知，填充密度為100%的燃燒速率與傳統(tǒng)澆注藥條燃燒速率相當(dāng)，而且燃燒速率隨著藥條的填充密度減小而增大。此方法可用于通過(guò)控制復(fù)雜藥柱的孔狀形狀和結(jié)構(gòu)分布來(lái)精確設(shè)計(jì)推進(jìn)劑的燃燒速率和推力曲線。

圖2 3D打印多孔推進(jìn)劑藥條及藥條燃速[13]

MCCLAIN團(tuán)隊(duì)[14]研發(fā)出固含量85%的HTPB型和紫外光固化聚氨酯型推進(jìn)劑配方，其中HTPB型推進(jìn)劑含聚丁二烯樹(shù)脂72.25%，塑化劑異癸壬酸鹽15.05%，鍵合劑1.53%，固化劑異佛二酮二異氰酸酯8.27%，高氯酸銨AP(粗粒60～130 μm，細(xì)粒20 μm)(粗細(xì)級(jí)配50∶50)；紫外光固化聚氨酯型推進(jìn)劑中聚氨酯占體積76%。推進(jìn)劑各組分混合成藥漿后，采用帶高振幅超聲振動(dòng)器噴嘴材料擠出增材制造系統(tǒng)[15]進(jìn)行藥條打印，如圖3所示，圖中黑洞為孔隙。

(a)Cross-section of 3D-printed HTPB propellant strands (b)Cross-section of cast HTPB propellant strands

由圖3(a)、(b)可看出，HTPB型推進(jìn)劑打印藥條的孔隙率低于澆注藥條；由圖3(c)、(d)可看出，紫外光固化樹(shù)脂型推進(jìn)劑打印藥條的孔隙率低于澆注藥條，且紫外光固化樹(shù)脂型推進(jìn)劑藥條的孔隙率低于HTPB型推進(jìn)劑藥條。

MCCLAIN等[14]還對(duì)不同燃速配方梯度裝藥的打印藥條與澆注藥條燃燒表面進(jìn)行研究。固定推進(jìn)劑配方和環(huán)境壓強(qiáng)下，藥柱隨著燃燒的進(jìn)行，燃面形狀變化為平面-U型-V型，得出結(jié)論藥柱的外層燃速較內(nèi)層低。

試驗(yàn)得出，澆注藥條在壓強(qiáng)200 psi時(shí)燃燒穩(wěn)定，燃燒表面呈W形狀，而壓強(qiáng)高于500 psi時(shí)出現(xiàn)不同燃速配方澆注層之間的竄火；不同燃速配方打印藥條在1500 psi時(shí)燃燒表面出現(xiàn)U型，且加入燃速調(diào)節(jié)劑的打印藥條，其燃燒表面最后形成V型。

藺向陽(yáng)等[17]通過(guò)24項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以紫外光固化輔助粘合劑和傳統(tǒng)丁羥等主粘合劑，通過(guò)調(diào)節(jié)配方組分組成以及打印厚度、噴嘴直徑等工藝參數(shù)，可以制備出力學(xué)性能和密度較好的藥。王偉等[18-19]將傳統(tǒng)復(fù)合固體推進(jìn)劑利用其具有加熱功能的增材制造系統(tǒng)擠壓成型，并對(duì)藥柱性能進(jìn)行分析，為改進(jìn)打印效率，提出溫敏時(shí)變推進(jìn)劑，主要是在傳統(tǒng)配方加入溫敏添加劑，即乙烯-乙酸乙烯共聚物(質(zhì)量百分比15%～45%)、飽和甘油三酸酯，或這兩種組分的混合物。

張亮等[20]為驗(yàn)證復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造的可行性，采用光固化劑代替HTPB制成復(fù)合固體推進(jìn)劑藥漿，并在其開(kāi)發(fā)的擠出成型增材制造系統(tǒng)上完成打印，從概念上驗(yàn)證材料擠出增材制造系統(tǒng)能夠打印復(fù)合固體推進(jìn)劑,崔敏[21]設(shè)計(jì)并合成光固化聚氨酯丙烯酸酯粘合劑體系，固化時(shí)間小于12 s，固化后收縮率小于3.6%，粘度低至3900 mPa·s，抗拉強(qiáng)度不小于5.9 MPa，最大伸長(zhǎng)率不小于310%；采用該粘合劑與鋁粉制成復(fù)合固體推進(jìn)劑假藥藥漿，通過(guò)單噴頭螺桿式擠出3D打印機(jī)制成藥柱，初步證實(shí)可實(shí)現(xiàn)固含量75%的藥柱打印。

王偉等[22]采用RS為粘合劑，Al為燃料，AP為氧化劑，設(shè)計(jì)一種固含量80%的熱塑性巧克力型推進(jìn)劑配方，并通過(guò)擠出設(shè)備制成藥棒。該配方的藥漿粘度可調(diào)，在85 ℃以下有較高的熱穩(wěn)定性，安全性好，能量中等，且與AP、Al 相容性好。

張婷婷等[23]針對(duì)光固化立體打印成型技術(shù)(SLA)研究出一種推進(jìn)劑配方，其中含16%～30%能光敏樹(shù)脂體系(含硝基的雙官能度環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂)、10%～30%活性稀釋劑(三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA))，1%～6%光引發(fā)劑(2，4，6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦)，1%～5%助劑(消泡劑或流平劑)，57%～68%高氯酸銨和13%～18%鋁粉。配方組分經(jīng)混合和真空脫泡后成SLA打印藥漿(粘度可調(diào))，通過(guò)波長(zhǎng)355 nm光打印藥柱后，經(jīng)后處理和后固化成型，其力學(xué)性能和致密性較好。

BROWN[24]對(duì)光固化復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱的缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和建模研究。以聚乙二醇二丙烯酸酯為粘合劑(20%)，2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦為光引發(fā)劑(0.7%)，氧化劑為高氯酸銨(64.3%)，燃料為鋁粉(15%)為配方，經(jīng)混合和預(yù)固化后，采用擠出設(shè)備打印出藥柱。藥柱中出現(xiàn)微尺度和中尺度孔隙，原因是打印層間分離和由于粘合劑不濕引起的固液相間分離。建模和試驗(yàn)對(duì)比分析方法是研究力學(xué)性能等課題的重要方法，但從缺陷的產(chǎn)生機(jī)理分析，每種缺陷(裂紋、孔洞、夾雜)都有不同的建模，很難統(tǒng)一到一個(gè)模型，且缺陷的產(chǎn)生也需充分考慮材料本身性能和3D打印工藝因素。因此，對(duì)材料準(zhǔn)備、藥柱固化成型和試驗(yàn)進(jìn)行全流程建模，從整體上分析3D打印藥柱性能和缺陷產(chǎn)生機(jī)理，是未來(lái)潛在的研究方向。

激光燒結(jié)型推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)很有局限性，這是因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的復(fù)合固體推進(jìn)劑氧化劑AP分解溫度為130 ℃，而爆炸溫度為380 ℃，在與金屬粉末接觸時(shí)沖擊感度增加[25]。激光燒結(jié)的高溫不僅容易引起組分的分解，更有可能造成安全事故。因此，激光燒結(jié)推進(jìn)劑打印設(shè)備和配方，除蔗糖-硝酸鉀復(fù)合推進(jìn)劑之外，研究較少。

2 固體推進(jìn)劑增材制造工藝

藺向陽(yáng)等[26]為實(shí)現(xiàn)熱塑性固體推進(jìn)劑的增材制造，通過(guò)添加溶劑降低藥漿粘度，在成型過(guò)程中，又通過(guò)熱風(fēng)將溶劑帶走，從而固化成型。這種工藝方法還需進(jìn)一步考慮溶劑揮發(fā)后，對(duì)藥柱孔隙率和力學(xué)性能的影響。

MCCLAIN等[14]針對(duì)HTPB型推進(jìn)劑，待固化劑加入后2 h內(nèi)，可觀察到藥漿粘度變化較大導(dǎo)致噴嘴流速變化，從而引起藥漿過(guò)度沉積或沉積不足；自加入固化劑3 h后，噴嘴流速均勻一致；23 h后，藥漿開(kāi)始交聯(lián)硬化；30 h后，固體形態(tài)較穩(wěn)定；在60 ℃烘箱內(nèi)放置3 d完成固化。紫外光固化聚氨酯型推進(jìn)劑采用的粘合劑對(duì)空氣穩(wěn)定，不易老化，制備后可放置數(shù)天，其藥條可在紫外光下放置30 min完成固化。此外，MCCLAIN團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：低光照強(qiáng)度下，365 nm和395 nm的波長(zhǎng)對(duì)固化深度無(wú)顯著影響；在高光照強(qiáng)度下，光照強(qiáng)度和波長(zhǎng)對(duì)固化深度均有影響，且光照強(qiáng)度影響較大?？傮w上，此類(lèi)推進(jìn)劑的光固化深度比3D打印藥層的厚度大，且含15%鋁粉的推進(jìn)劑藥柱，無(wú)明顯打印界面。在3D打印工藝技術(shù)上，如果光固化能量過(guò)低，3D打印藥柱存在坍塌的可能；如果光固化能量過(guò)高，在固化最上面一層藥漿時(shí)，對(duì)下一層藥漿甚至是下兩層藥漿進(jìn)行再固化，導(dǎo)致3D打印每層藥柱的固化時(shí)間和固化程度不一致，對(duì)藥柱力學(xué)和燃燒等性能產(chǎn)生影響，因此控制光固化能量一直該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)增加避光裝置，以確保3D打印的每層藥柱受到同等光照能量的固化，是未來(lái)潛在的研究方向。

3 固體推進(jìn)劑增材制造設(shè)備

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)適用于復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造的專(zhuān)用設(shè)備均有深入研究，特別是材料擠出、熔融沉積、激光燒結(jié)成型系統(tǒng)。考慮到復(fù)合固體推進(jìn)劑的能量不穩(wěn)定性、生產(chǎn)溫度控制要求高等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)材料擠出成型增材制造系統(tǒng)研究較多。

3.1 材料擠出增材制造

MATTHEW等[12]研發(fā)出適用于復(fù)合推進(jìn)劑藥柱增材制造的3D打印系統(tǒng)，見(jiàn)圖4。

圖4 復(fù)合固體推進(jìn)劑3D打印系統(tǒng)[12]

該系統(tǒng)將預(yù)固化的推進(jìn)劑擠出或通過(guò)花板逐層打印出來(lái)。預(yù)固化的藥漿在沉積完后快速固化成型。復(fù)合固體推進(jìn)劑藥漿預(yù)混后，再加入固化劑混合成預(yù)固化藥漿，在打印頭擠出過(guò)程中加熱至不低于固化溫度，這樣確保推進(jìn)劑藥漿擠出后且未冷卻前快速固化。該3D打印系統(tǒng)從預(yù)混、混合到最后沉積固化，明顯縮短固化時(shí)間，且最大限度減少處理藥漿和藥柱的必要性，提高了操作安全性。

如圖4所示，混合鍋1是將粘合劑、燃料、氧化劑等除固化劑之外所有組分進(jìn)行預(yù)混合的混合鍋，所有組分通過(guò)各自管線按照設(shè)定的不同速度給料，預(yù)混后的料件進(jìn)入混合鍋2，加入一定量固化劑后進(jìn)行混合，混合后的藥漿進(jìn)入打印頭，其上的加熱器將對(duì)未擠出藥漿加熱進(jìn)行預(yù)固化，藥漿達(dá)到要求的預(yù)固化程度后通過(guò)噴嘴擠出，逐層打印并固化后形成打印藥柱。若固化劑可在混合鍋1中加入，則該系統(tǒng)可將預(yù)混和混合兩個(gè)過(guò)程在一個(gè)混合鍋中完成，打印環(huán)節(jié)將省去混合鍋2這一設(shè)備。所有組分的給送管道由閥門(mén)、電機(jī)等控制；粘合劑可以是HTPB、CPTB等，也可加入鍵合劑、固化催化劑、燃速調(diào)節(jié)劑等液體組分；燃料可以是鎢、鎂、銅、鋁等金屬(氧化物)粉末；氧化劑可以是高氯酸基、硝酸基、硫酸基氧化物；固化劑可以是固化助劑，如(改性)異氰酸酯、(改性)二異氰酸酯。打印噴頭或花板可通過(guò)鎖扣、螺紋等方式安裝一組噴嘴(直徑0.3～0.7 mm)，繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其大小形狀可不同，用以控制推進(jìn)劑擠出速率。加熱器與噴嘴組裝成打印噴頭，加熱器可通過(guò)電阻絲加熱，也可通過(guò)一定溫度的熱流管道加熱，輔之以入口溫度傳感器控制預(yù)固化熱量的輸入，進(jìn)而控制藥漿預(yù)固化程度達(dá)到55%～97%，且同時(shí)預(yù)固化溫度低于自燃和組分分解溫度。藥漿預(yù)固化時(shí)間，可通過(guò)擠出前端加壓-后端負(fù)壓、溫度控制、管線直徑、材料粘度調(diào)節(jié)等方法控制。

藺向陽(yáng)等[17]研發(fā)出一種復(fù)合固體推進(jìn)劑紫外光固化成型系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在擠出噴頭處設(shè)一紫外光源進(jìn)行藥漿預(yù)固化，實(shí)質(zhì)上是對(duì)材料擠出系統(tǒng)的優(yōu)化，有助于實(shí)現(xiàn)含光敏劑復(fù)合固體推進(jìn)劑的3D打印。推進(jìn)劑各組分(光敏樹(shù)脂、主粘合劑、燃料、氧化劑、固化劑、燃速調(diào)節(jié)劑等其他小組分)經(jīng)混合為藥漿后，通過(guò)螺桿或活塞將其輸送至打印噴頭，藥柱的三維數(shù)字模型經(jīng)切片處理后控制打印噴頭按照設(shè)定路線將藥漿連續(xù)擠出，層層堆疊(0.05～1.0 mm)，同時(shí)由光纖將紫外光(強(qiáng)度0.2～20 mW/cm2)輸送至噴頭處(0.3～3.0 mm)，實(shí)現(xiàn)擠出藥漿與預(yù)固化同步進(jìn)行，最后將打印的預(yù)固化藥柱置于恒溫烘箱中進(jìn)行保溫固化成型。藺向陽(yáng)等[27-30]還研發(fā)出一種具有旋轉(zhuǎn)打印平臺(tái)的3D打印機(jī)，該方法能有效提高藥柱軸向與徑向的力學(xué)性能。旋轉(zhuǎn)打印平臺(tái)為圓筒，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，打印噴頭由另外兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向和縱向運(yùn)動(dòng)，打印噴頭可在圓筒內(nèi)或圓筒外。打印噴頭的運(yùn)動(dòng)由藥柱三維模型切片生成的G代碼控制。

王偉等[31]研究出一種熱固性復(fù)合固體推進(jìn)劑打印系統(tǒng)，其特點(diǎn)是擠出噴頭具有加熱功能，對(duì)藥漿進(jìn)行預(yù)熱，在噴頭處提供熱風(fēng)進(jìn)行預(yù)固化，且在擠出時(shí)進(jìn)行加壓。預(yù)熱溫度范圍為45～65 ℃，熱風(fēng)溫度為45～65 ℃，擠出壓力0.1～5.0 MPa。推進(jìn)劑層層堆疊(層厚0.05～1.0 mm)后，將預(yù)固化的藥柱置于油浴烘箱(30～50 ℃)中5～7 d固化成型。

GUNDUZA等[14-15]對(duì)材料擠出系統(tǒng)的優(yōu)化在于將帶有高振幅超聲振動(dòng)器的噴嘴引入3D打印系統(tǒng)，通過(guò)其產(chǎn)生的慣力可顯著降低流體的內(nèi)壁摩擦力和應(yīng)力，從而打印高粘度材料產(chǎn)品。研究人員將可氣動(dòng)操作的低密度聚丙烯噴嘴與超聲波PZT換能器-鋼探針組裝成噴頭。鋼探針與噴嘴具有相同的共振頻率，即30 kHz，鋼針振幅可達(dá)20 μm。為確保噴嘴最大升溫低于30 ℃，在引入風(fēng)扇的同時(shí)，還設(shè)置振動(dòng)空占比為50%～80%。此外，為精確控制流速，對(duì)藥漿采取加壓。這一系統(tǒng)能夠打印高固含量、極高粘度推進(jìn)劑藥漿，如含金屬推進(jìn)劑、混有顆粒的固液混合藥柱、聚合物鍵合含能材料等。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠打印粘度高達(dá)9000 Pa·s 的軟陶和14 000 Pa·s的軟糖。

3.2 熔融沉積增材制造

JEREMY等[32]研發(fā)出一種將復(fù)合固體推進(jìn)劑的氧化劑與燃料按照一定量或比例分別使用熔融沉積法(FDM)打印在每層各自區(qū)域的方法，如圖5所示。

圖5 3D打印藥柱側(cè)視圖與界面圖[32]

根據(jù)燃料區(qū)和氧化劑區(qū)的分布和大小可以在不同時(shí)間不同位置調(diào)節(jié)燃燒性能，使燃?xì)庠诹鬟^(guò)通道時(shí)達(dá)到超音速，因此，這種打印方法能夠打印出無(wú)噴管的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。氧化劑與燃料區(qū)的大小在0.1 mm數(shù)量級(jí)，這能夠滿(mǎn)足裝填燃料與氧化劑(顆粒大小600 μm)的要求，且通過(guò)裝填大顆粒，然后裝填小顆粒的方法盡可能高地提高裝填密度。燃料絲材可為熱塑性材料本身，如聚乳酸、聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，或在此基礎(chǔ)上混入金屬粉末制成絲材；氧化劑也可在上述熱塑性材料的基礎(chǔ)上添加硝酸基、高氯酸基氧化劑制成的不同絲材。

3.3 激光燒結(jié)增材制造

CAMERON等[11]開(kāi)發(fā)出適用于蔗糖-硝酸鉀復(fù)合固體推進(jìn)劑打印的激光燒結(jié)成型(SLS)設(shè)備。該系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)，即滅火水系統(tǒng)、CO2激光器、粉末床系統(tǒng)、軟件和電子集成系統(tǒng)。激光器的工作原理是將40 W高功率CO2激光從兩個(gè)鏡面上直接反射到透鏡上，透鏡再將激光聚焦成光束，用于燒結(jié)材料。透鏡的位置由沿著激光器長(zhǎng)和寬方向上安裝的直線導(dǎo)軌精確控制。為實(shí)現(xiàn)SLS系統(tǒng)Z軸的控制，在激光器下方增加粉末床機(jī)構(gòu)。粉末床機(jī)構(gòu)有3個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，即燒結(jié)區(qū)活塞、儲(chǔ)存區(qū)活塞和耙機(jī)構(gòu)。燒結(jié)區(qū)和儲(chǔ)存區(qū)有足夠的固體火箭推進(jìn)劑粉末，考慮到粉末傳送過(guò)程中的損失，燒結(jié)區(qū)活塞和儲(chǔ)存區(qū)活塞在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)分別向上移動(dòng)1.5 mm和2.0 mm，以提供至少133%的粉末材料，覆蓋全部打印區(qū)域。耙機(jī)構(gòu)待另外兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到位后，將儲(chǔ)存區(qū)粉末均勻刮至燒結(jié)區(qū)。多余的粉末被刮至下面的有害物質(zhì)收納箱。耙機(jī)構(gòu)到達(dá)粉末床另一側(cè)后，自動(dòng)移回至初始位置。從安全角度考慮，SLS系統(tǒng)還需集成一個(gè)水系統(tǒng)，其置于打印區(qū)域上方大約3英尺處，以便在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)快速滅火和沖洗殘?jiān)?。除水系統(tǒng)外，SLS系統(tǒng)又集成生命安全系統(tǒng)，主要由紅外溫度傳感器和CO檢測(cè)器組成。在打印過(guò)程中，為解決“揚(yáng)塵”問(wèn)題，在整個(gè)系統(tǒng)周?chē)罱ㄒ豢蚣?，且用布遮蓋，再與激光器連接兩個(gè)風(fēng)扇，將顆粒吹至排風(fēng)口，最終排放到通風(fēng)櫥。

3.4 其他打印技術(shù)

國(guó)內(nèi)外研究人員[33-36]采用噴墨打印技術(shù)將微米級(jí)炸藥噴射至管件、薄膜，或用含能墨水制備出含能復(fù)合物。通過(guò)試驗(yàn)表明，3D打印的炸藥或含能復(fù)合物，感度、爆轟速度明顯改善。由于噴墨打印技術(shù)要求藥漿的粘度較低，因此，對(duì)于高固含量的復(fù)合固體推進(jìn)劑，采用噴墨打印技術(shù)打印的局限性很突出，但可將這一技術(shù)應(yīng)用于微型點(diǎn)火器、燃燒裝置的打印。

4 對(duì)復(fù)合固體推進(jìn)劑增材制造技術(shù)的思考

通過(guò)對(duì)增材制造用復(fù)合固體推進(jìn)劑配方和藥柱性能、藥柱打印工藝及增材制造系統(tǒng)的梳理，認(rèn)為國(guó)內(nèi)外對(duì)這一領(lǐng)域均有深入研究，但總體不夠。

CHANDRU研發(fā)的推進(jìn)劑藥漿為傳統(tǒng)復(fù)合固體推進(jìn)劑藥漿，而國(guó)內(nèi)外其他研究人員較多聚焦于HTPB型復(fù)合固體推進(jìn)劑的改性研究與熱塑性復(fù)合固體推進(jìn)劑熔融沉積成型方面，認(rèn)為前者已積累大量工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，改良后的配方能夠迅速應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐中，而后者基于熱塑性特點(diǎn)和FDM成型特點(diǎn)，藥柱打印成本經(jīng)濟(jì)可控，前景較好。因此，這兩類(lèi)推進(jìn)劑配方的設(shè)計(jì)和藥柱性能的提升，將仍是主流方向。

由于增材制造技術(shù)在復(fù)合固體推進(jìn)劑制備方面還處于研究階段，并未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，3D打印工藝的研究較少。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)如何確保藥漿粘度適合打印，藥漿如何實(shí)現(xiàn)預(yù)固化(紫外光預(yù)固化或熱預(yù)固化)，藥漿如何后固化等方面均進(jìn)行研究，但并不深入。目前，光固化復(fù)合固體推進(jìn)劑的研究較熱，但對(duì)藥柱的紫外光預(yù)固化程度的研究?jī)H限于固化深度，而未對(duì)如何避免固化層的過(guò)固化進(jìn)行研究，或如何實(shí)現(xiàn)紫外光固化在整體藥柱結(jié)構(gòu)中均勻性進(jìn)行研究，從而提高藥柱整體力學(xué)性能。

相比熔融沉積和激光燒結(jié)增材制造成型方式，材料擠出增材制造成型方式更接近傳統(tǒng)復(fù)合固體推進(jìn)劑的澆注-固化成型工藝，也更適于復(fù)合固體推進(jìn)劑3D打印，其主要原因是藥柱成型所需的藥漿均為高粘度非牛頓流體，且無(wú)需高溫處理，安全性相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)外對(duì)材料擠出增材制造系統(tǒng)均有研究，且為了改善復(fù)合固體推進(jìn)劑藥漿的流動(dòng)性，控制藥漿擠出速度，提高藥漿成型效率，對(duì)材料擠出增材制造系統(tǒng)的噴嘴添加加熱功能，包括熱水循環(huán)、電阻絲等；添加預(yù)固化功能，包括紫外光、熱風(fēng)等；添加應(yīng)對(duì)高粘度配方擠出的功能，包括超聲高幅振動(dòng)器、噴嘴上下游加壓等。特別要強(qiáng)調(diào)的是，MATTHEW團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系統(tǒng)與目前傳統(tǒng)HTPB型推進(jìn)劑澆注固化系統(tǒng)高度相似，可操作性更強(qiáng)，如果需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，可借鑒GUNDUZA I E團(tuán)隊(duì)為高粘度推進(jìn)劑藥漿擠出噴嘴配置高振幅超聲振動(dòng)器的思路，和藺向陽(yáng)團(tuán)隊(duì)的紫外光預(yù)固化和熱后固化的思路。此外，由于大型復(fù)雜藥柱在打印過(guò)程中存在坍縮問(wèn)題，而JEREMY團(tuán)隊(duì)研發(fā)的將復(fù)合固體推進(jìn)劑氧化劑與燃料按照一定量或比例分別使用熔融沉積法(FDM)打印在每層各自區(qū)域的思路，不僅啟發(fā)研究人員將支撐結(jié)構(gòu)材料和推進(jìn)劑藥漿分別按比例打印在相應(yīng)位置，最后除去支撐結(jié)構(gòu)材料，從而實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜藥柱打印，而且啟迪研發(fā)人員從微米級(jí)材料入手，實(shí)現(xiàn)每層氧化劑與燃料分別打印，最終層層堆疊成高固含量的藥柱，或推力可變藥柱。

目前，對(duì)3D打印復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱固化前后應(yīng)力釋放及其對(duì)藥型結(jié)構(gòu)的影響研究較少。盡管固體含量超過(guò)85%能采用擠壓成型技術(shù)打印出來(lái)，但大型、復(fù)雜傳統(tǒng)丁羥復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱擠出成型和固化時(shí)間相比傳統(tǒng)澆注固化工藝并未顯著縮短，預(yù)固化時(shí)間仍較長(zhǎng)，且打印藥柱因自重易出現(xiàn)變形問(wèn)題。因此，需對(duì)推進(jìn)劑配方和工藝持續(xù)優(yōu)化。同時(shí)，光固化作為復(fù)合固體推進(jìn)劑預(yù)固化的方法之一，對(duì)光敏樹(shù)脂及光固化工藝參數(shù)仍需深入研究。復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱、襯層、絕熱層、殼體、噴管及其他箭體部分一體打印成型技術(shù)研究較少。此外，復(fù)合固體推進(jìn)劑配方及材料篩選、復(fù)合固體推進(jìn)劑流體力學(xué)、噴頭結(jié)構(gòu)與機(jī)理、支撐結(jié)構(gòu)材料、原位打印和固化(如發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)打印和固化)，仍將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。