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(xué) 國(guó)家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210094；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

炸藥裝藥是彈藥戰(zhàn)斗部等武器做功的能量來(lái)源，是武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程打擊、高效毀傷”的核心部件，更是推動(dòng)我軍高新裝備發(fā)展的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)不穩(wěn)定因素日益增加，局部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)武器彈藥提出了更高的功能性要求，如爆轟模式可調(diào)、爆炸威力可控等，往往需要通過(guò)基于復(fù)雜異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)裝藥設(shè)計(jì)理念才能實(shí)現(xiàn)。然而，受限于傳統(tǒng)的裝藥原理及工藝，目前仍難以實(shí)現(xiàn)這類特殊結(jié)構(gòu)的炸藥裝藥制造，因此亟需探索新型炸藥裝藥技術(shù)及匹配裝備，以滿足武器裝備對(duì)復(fù)雜異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)炸藥裝藥的迫切需求[1-4]。

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing, AM)，又名3D打印技術(shù)，是一種多學(xué)科一體化的先進(jìn)制造技術(shù)，包括了材料加工與成型技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形模擬技術(shù)、數(shù)字信息化技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)等多種技術(shù)[5-7]。目前，增材制造技術(shù)已經(jīng)在汽車電子、機(jī)械制造、工業(yè)建筑、航空航天、常規(guī)武器裝備、生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，含能材料3D打印技術(shù)研究突飛進(jìn)展，與傳統(tǒng)含能材料的減材加工模式不同，增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微電子引信、微機(jī)電系統(tǒng)、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(fù)雜藥型結(jié)構(gòu)、能量密度遞變的高能炸藥裝藥、固體推進(jìn)劑藥柱和高堆積密度多孔發(fā)射藥等[8]。如黃瑨等[9]以GAP和N-100為粘結(jié)劑制備了3種新型TATB/CL-20復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，撞擊感度測(cè)試結(jié)果表明，軸向/徑向復(fù)合多層裝藥結(jié)構(gòu)(CL-20質(zhì)量占比90%)的特性落高達(dá)到72.00 cm，較同質(zhì)量的CL-20裝藥提高了314%。2017年，普渡大學(xué)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(fā)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(xué)計(jì)量比等因素對(duì)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(jìn)行可控調(diào)節(jié)。朱國(guó)豪等[12]設(shè)計(jì)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(tái)裝置對(duì)油墨進(jìn)行了直寫成型，研究結(jié)果表明，當(dāng)配方中CL-20含量為82%時(shí)油墨穩(wěn)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(jìn)等[13]設(shè)計(jì)了一種光固化樹脂配方(48%自制光固化樹脂/41%超細(xì)AP/11%改性Al)，并利用光固化3D打印技術(shù)成功制備了異型含能藥柱，測(cè)試結(jié)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(qiáng)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(shù)和光固化成型技術(shù)在高分子粘結(jié)炸藥、復(fù)合推進(jìn)劑、火工品等部分火炸藥領(lǐng)域中已有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

基于熔融沉積成型(FDM)原理的增材制造技術(shù)已證明可應(yīng)用于含能材料領(lǐng)域。王偉等[14]以黏合劑RS為連續(xù)相，鋁粉和高氯酸銨為固體填料，實(shí)現(xiàn)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的巧克力型推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)與制備，研究結(jié)果表明：巧克力型推進(jìn)劑可在90 ℃以下實(shí)現(xiàn)熔融成型，且具備可調(diào)節(jié)的粘度、優(yōu)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(diǎn)低、流變行為可控的特點(diǎn)進(jìn)行打印，如TNO公司[15]研究了純TNT炸藥的熔融沉積成型技術(shù)，并成功打印出了約300層的TNT樣品，初步驗(yàn)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(guò)程中，其粘度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致樣品難以成型，而且由于TNT能量較低，最終產(chǎn)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(fā)了一臺(tái)適用于熔鑄炸藥打印成型的增材制造原理樣機(jī)，并通過(guò)篩選熔鑄炸藥配方、優(yōu)化工藝參數(shù)，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(jí)熔鑄炸藥的打印成型。測(cè)試結(jié)果表明，打印成型的藥柱密度為1.65 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為5.56 MPa，爆速為7 184 m/s，綜合性能均優(yōu)于澆鑄成型的藥柱。但原理樣機(jī)僅初步解決了熔鑄炸藥打印成型可行性問(wèn)題，打印藥量小，柱塞式擠出粘度有限，全流程尚未完全實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jìn)一步研發(fā)了一套適用于熔鑄炸藥的公斤級(jí)自動(dòng)化增材制造裝置，滿足加料-混合-擠出-打印全流程的無(wú)人化、自動(dòng)化控制，同時(shí)配備有視頻/紅外在線檢測(cè)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程的安全監(jiān)測(cè)，確保熔鑄炸藥打印安全可靠；通過(guò)代料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該套裝置的運(yùn)行安全可靠性，最后成功完成了超細(xì)HMX/TNT基熔鑄炸藥的打印成型及性能表征，初步驗(yàn)證了該套裝置在熔鑄炸藥高質(zhì)量成型方面的優(yōu)勢(shì)，為下一步復(fù)雜異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)炸藥裝藥成型提供裝置平臺(tái)與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 熔鑄炸藥增材制造原理

傳統(tǒng)FDM打印機(jī)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(tái)或者前一層打印的材料上。當(dāng)溫度低于該熱熔性材料的固化溫度后開始固化，最終通過(guò)材料的層層堆疊形成最終成品?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)開發(fā)的增材制造設(shè)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(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，使熔融態(tài)炸藥可以均勻并穩(wěn)定地沉積在打印平臺(tái)上，通過(guò)控制噴頭擠出溫度及成型室溫度實(shí)現(xiàn)擠出的熔融態(tài)炸藥冷卻凝固。經(jīng)過(guò)打印層層堆疊后，最終獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)樣品。

圖1 熔鑄炸藥增材制造過(guò)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(jī)部分如圖2所示，主要由4部分組成：原料加料機(jī)構(gòu)、熔混攪拌機(jī)構(gòu)、精確擠出機(jī)構(gòu)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外，為對(duì)打印過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)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(jiān)控、紅外測(cè)溫等模塊，對(duì)打印過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄，確保打印過(guò)程安全進(jìn)行。

2.1 原料加料機(jī)構(gòu)

原料加料機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)料罐和遠(yuǎn)程控制的振動(dòng)加料器組成，結(jié)構(gòu)示意圖裝置如圖3所示。根據(jù)熔鑄炸藥配方組成設(shè)置了3～4儲(chǔ)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(jī)構(gòu)底部通過(guò)管道與熔混攪拌機(jī)構(gòu)頂部相連，通過(guò)每個(gè)儲(chǔ)料罐底部安裝的氣動(dòng)振動(dòng)器調(diào)節(jié)振動(dòng)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(jī)構(gòu)

熔混攪拌機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖4所示，由熔混釜外殼及攪拌槳構(gòu)成。熔混釜采用夾套設(shè)計(jì)，通循環(huán)導(dǎo)熱油，內(nèi)置防爆溫度傳感器以監(jiān)測(cè)油溫并調(diào)節(jié)熔融溫度。熔混釜頂蓋設(shè)有正壓孔和負(fù)壓孔，負(fù)壓孔連接抽真空系統(tǒng)，在熔混過(guò)程中除去藥漿內(nèi)部氣泡；正壓孔連接壓縮空氣系統(tǒng)，在擠出過(guò)程中可提供加壓，保障高粘藥漿的穩(wěn)定擠出。攪拌槳結(jié)構(gòu)為聚攏型設(shè)計(jì)，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(dòng)力源為氣動(dòng)控制的齒輪結(jié)構(gòu)；熔混釜整體以及攪拌槳葉均采用高強(qiáng)度、防靜電的鈹銅材質(zhì)進(jìn)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(guò)程藥漿不漏，而在擠出過(guò)程中，攪拌槳?dú)鈩?dòng)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(jié)構(gòu)示意圖

2.3 精確擠出機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)藥漿的連續(xù)化擠出成型，同時(shí)保障擠出過(guò)程的安全性，本裝置的精確擠出機(jī)構(gòu)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(tǒng)的常用泵，具有輸出壓力高、連續(xù)輸出的優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)力輸入其中一個(gè)齒輪，另一個(gè)齒輪與其嚙合，所以2個(gè)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(gè)齒輪要求不能擠壓藥漿中的固體顆粒物，從而避免安全風(fēng)險(xiǎn)，故開發(fā)了針對(duì)含能材料的無(wú)擠壓摩擦雙組齒輪泵。其基本原理是將傳統(tǒng)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(dòng)齒輪。傳動(dòng)齒輪無(wú)間隙傳動(dòng)，保證2個(gè)齒輪的無(wú)間隙嚙合。擠出齒輪經(jīng)過(guò)特殊加工使其齒厚比傳動(dòng)齒輪薄，并且與傳動(dòng)齒輪同步旋轉(zhuǎn)。故在整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中始終保持一定的間隙。該間隙可根據(jù)實(shí)際含能材料的粘度、顆粒大小等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，既能滿足安全的要求也能保證擠出特性。同時(shí)在齒輪擠出泵上安裝了壓力傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際操作過(guò)程中擠出壓力的監(jiān)控。齒輪泵也采用了夾層設(shè)計(jì)(見圖6)，并使用油浴控溫，以確保藥漿在擠出過(guò)程中不會(huì)發(fā)生凝固堵塞現(xiàn)象。

圖6 齒輪泵夾層循環(huán)加熱結(jié)構(gòu)示意圖

精確擠出機(jī)構(gòu)的另一個(gè)重要部件是噴頭。本文中設(shè)計(jì)的擠出噴頭結(jié)構(gòu)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(wú)須校準(zhǔn)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(guò)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(wú)須再次校準(zhǔn)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?？椎纼?nèi)部無(wú)死角，容易清洗，拆卸噴頭時(shí)不會(huì)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(jié)構(gòu)整體示意圖

2.4 三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括三軸運(yùn)動(dòng)模塊與打印平臺(tái)(見圖8)。由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)和精確定位，所以本文中的設(shè)計(jì)思路是采用模塊化設(shè)計(jì)，各單元可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)獨(dú)立，但是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)又集合成一個(gè)整體模塊。X軸驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)沿X方向運(yùn)動(dòng)，Y軸驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)沿Y方向運(yùn)動(dòng)，兩者的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了工作平臺(tái)相對(duì)于固定擠出系統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一層打印完成后，Z軸下降帶動(dòng)打印平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度方向的進(jìn)給，X、Y軸再次運(yùn)動(dòng)打印下一層，當(dāng)結(jié)束后，Z軸再次帶動(dòng)打印平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度方向的進(jìn)給，如此重復(fù)，直至打印完成。

圖8 三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

三軸運(yùn)動(dòng)模塊以高剛度的立柱作為承力和安裝的基礎(chǔ)，立柱采用高強(qiáng)度高剛度設(shè)計(jì)?；炝夏K、擠出模塊及各軸的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)全部安裝在立柱上，相當(dāng)于一個(gè)配重，結(jié)構(gòu)和受力上兩者是一體的。所有作用力經(jīng)立柱傳到焊接底座然后傳到地面。該結(jié)構(gòu)方案以立柱作為統(tǒng)一的基準(zhǔn)，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和噴頭形成一個(gè)整體，保證了剛度、精度以及變形，從而大大降低了對(duì)焊接底座的精度、剛度和強(qiáng)度的要求；且因立柱和幾個(gè)模塊機(jī)構(gòu)的質(zhì)量大，所以整個(gè)三維打印平臺(tái)的振動(dòng)都比較小，確保打印過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，提高了打印精度。

此外，本文中設(shè)計(jì)的打印平臺(tái)具有加熱與吸附雙功能，即平臺(tái)內(nèi)部采用水循環(huán)加熱方式對(duì)打印平臺(tái)進(jìn)行加熱控溫，同時(shí)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(tái)上，方便打印完成后的樣品脫離。其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

a) 真空吸附結(jié)構(gòu)布局

2.5 其他輔助系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程的安全監(jiān)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(jiān)控、紅外成像等模塊對(duì)打印過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)及記錄，確保打印工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制以及打印過(guò)程的安全可靠。

2.5.1 溫度在線檢測(cè)系統(tǒng)

考慮到本裝置中加熱溫度均由循環(huán)油浴/水浴系統(tǒng)提供，且過(guò)程中存在熱量損耗問(wèn)題，為了提高溫度監(jiān)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(nèi)、擠出齒輪泵夾套內(nèi)、成型平臺(tái)夾套內(nèi)、成型室恒溫裝置內(nèi)，以及循環(huán)油浴系統(tǒng)的出口處，并將溫度信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)程控制軟件中的“過(guò)程控制”模塊，從而對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控(見圖10)。

圖10 溫度在線檢測(cè)軟件界面

2.5.2 視頻/紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)

打印過(guò)程中，進(jìn)一步采用紅外成像方式對(duì)打印區(qū)間的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控方式對(duì)熔鑄炸藥打印區(qū)間的工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)(見圖11)。

a) 紅外成像及數(shù)據(jù)記錄界面

紅外熱成像儀安裝于擠出機(jī)構(gòu)側(cè)面，對(duì)整個(gè)增材制造過(guò)程中溫度最高區(qū)域(熔混釜和擠出機(jī)構(gòu))進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將熱圖像以及區(qū)間內(nèi)最高溫度和最低溫度顯示于紅外專用監(jiān)控軟件中；最高溫度信號(hào)同時(shí)也傳輸至遠(yuǎn)程控制軟件中，與雨淋控制系統(tǒng)形成安全聯(lián)鎖，從而共同實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與安全控制。

視頻系統(tǒng)主要是對(duì)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、噴頭擠出狀態(tài)以及藥漿出料堆積成型狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輔助觀察各部位是否按照軟件指令運(yùn)行，便于及時(shí)對(duì)可能出現(xiàn)的三軸運(yùn)動(dòng)超限、噴頭碰撞、藥漿堵塞等異常情況的及時(shí)處理，規(guī)避潛在的安全隱患。

3 打印試驗(yàn)

3.1 代料打印試驗(yàn)

在進(jìn)行真料試驗(yàn)前，使用以石蠟、熱熔膠和超細(xì)碳酸鈣為主要成分的代料對(duì)設(shè)備特性及打印參數(shù)進(jìn)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(yàn)中參數(shù)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(tái)溫度為30～40 ℃。打印過(guò)程圖及部分樣品如圖12所示，可以看出，代料試驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單、雙噴頭及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成功打印，這為真料打印提供了基礎(chǔ)。

a) 代料打印初期

3.2 TNT/HMX基熔鑄炸藥打印試驗(yàn)

依據(jù)代料打印試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行50 wt.% HMX/50 wt.% TNT基熔鑄炸藥的打印試驗(yàn)，具體參數(shù)如下：熔混釜溫度為90 ℃，打印平臺(tái)溫度為55 ℃，打印速度為15 mm/s，層高為0.25 mm。打印過(guò)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(nèi)部剖面圖

圖15 藥柱內(nèi)部SEM圖

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

3.2.2 密度分析

采用“排水法”對(duì)藥柱密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(dá)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(qiáng)度分析

根據(jù)GJB 772A—1997，方法416.1“壓縮法”，采用CTM9100型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)打印藥柱的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程如圖16所示。在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試后，藥柱碎片呈放射狀由中心向四周分散?？箟簭?qiáng)度結(jié)果見表3。由表3可知，打印藥柱的平均抗壓強(qiáng)度高達(dá)33.69 MPa，這是因?yàn)閰^(qū)別于傳統(tǒng)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(chǎn)生，提高裝藥密實(shí)性，從而改善力學(xué)強(qiáng)度。

a) 測(cè)試前

表3 打印藥柱的抗壓強(qiáng)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(zhì)量的另一重要指標(biāo)，表面粗糙度的高低對(duì)樣品的表面質(zhì)量、美觀程度、性能都具有非常重要的影響。使用粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)打印藥柱的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)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(duì)于打印樣品而言，表面粗糙度值越小，制件的表面質(zhì)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(shù)平均差(Ra)對(duì)表面粗糙度進(jìn)行描述。輪廓的算術(shù)平均差是指在一定取樣長(zhǎng)度lr內(nèi)，被測(cè)輪廓上各點(diǎn)至輪廓中線距離絕對(duì)值的算術(shù)平均值[18]。對(duì)打印藥柱軸線方向表面粗糙度測(cè)試結(jié)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(diǎn)，造成了打印藥柱表面達(dá)不到傳統(tǒng)澆鑄法制備藥柱表面光滑的程度，但通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，也能夠控制打印藥柱的表面粗糙度，改善表面質(zhì)量，滿足應(yīng)用需求。

表4 打印藥柱的表面粗糙度

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前復(fù)雜異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)炸藥裝藥制造的迫切需求，設(shè)計(jì)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(dòng)化裝置，同時(shí)開展了HMX/TNT基熔鑄炸藥的打印成型試驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

1)該套增材制造自動(dòng)化裝置可實(shí)現(xiàn)原材料加料、熔混攪拌、精準(zhǔn)擠出、堆積成型等遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，以及視頻、紅外等實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，有效保障了增材制造工況的安全穩(wěn)定性。

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

3)該套熔鑄炸藥增材制造裝置有望實(shí)現(xiàn)基于復(fù)雜異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的炸藥裝藥成型，可為“爆轟模式可調(diào)、爆炸威力可控”的新型戰(zhàn)斗部裝藥提供重要平臺(tái)支撐。