摘要
为了研制复杂几何形状的发射药,采用双基发射药挤出式3D打印工艺,通过螺杆挤出式发射药3D打印机打印出方形、车轮形、星孔形和花边七孔双基发射药,对打印发射药的表面结构、尺寸均匀性、密度和力学性能进行表征。结果表明,打印发射药的表面较光滑、无明显瑕疵;花边七孔发射药的尺寸均匀性达到传统方式制备发射药的标准,车轮形发射药弧厚的尺寸均匀性较好,标准偏差为0.026 mm,相对标准偏差为0.92%;方形发射药的密度较高(1.567 g·c
图文摘要
The extrusion 3D printing process of double base gun propellants was proposed. Square‑shaped, wheel‑shaped, star‑shaped and rosette shaped 7‑perf double base gun propellants were printed by screw extrusion gun propellants 3D printer. The surface structure, dimensional uniformity, density and mechanical property of the printed gun propellants were characterized.
发射药的能量释放过程对火炮性能有重要影响,采用复杂几何形状的发射药是控制能量释放过程的重要方法。受到传统发射药制备工艺技术的限制,目前发射药几何形状较为简单,一般为片状、柱状、管状和多孔等几何形
目前,3D打印技术在发射药领域的应用主要包括光固化和挤出成型2种方
本研究提出了基于传统双基发射药配方的挤出式3D打印工艺,使用螺杆挤出式发射药3D打印机对溶质比为0.4(药料粘度接近传统制备工艺)的双基发射药进行了研究,通过打印具有弧度和角度(直角、钝角、锐角)的多种几何形状(方形、车轮形、星孔形和花边七孔)来验证此方法的可行性,并对打印发射药的表面结构、尺寸均匀性、密度和力学性能进行了表征。
双基发射药是以硝化纤维素(NC)为黏结剂、硝化甘油(NG)等硝酸酯为增塑剂的传统发射药配方体系,通常借助低分子有机溶剂经过溶解塑化为聚合物浓溶液后加工成
双基发射药挤出式3D打印工艺过程分为药料的驱水与干燥、药料的塑化、药料的挤出、发射药的打印成型和发射药的驱溶。首先将发射药固体原料进行烘干,驱除水分。然后将烘干的发射药原料和挥发性有机溶剂(丙酮、乙醇等)在一定温度下通过捏合使药料溶解塑化成聚合物浓溶液。在一定温度下,处于粘流态的聚合物浓溶液通过螺杆输送并从喷头挤出,形成挤出丝。根据打印模型,挤出丝逐层堆积,实现发射药的3D打印。发射药的打印成型是发射药3D打印工艺过程的重点,相关打印参数的设置直接影响成型的质量。最后将打印的发射药烘干,驱除挥发性溶剂。
打印设备为螺杆挤出式3D打印机,主要包括捏合装置、输送装置、挤出装置、加热装置和打印平台(

图1 螺杆挤出式发射药3D打印机
Fig.1 Screw extrusion 3D printer for gun propellants
捏合装置作为加料端,通过控制1对搅拌桨叶的正转和反转实现药料的塑化,塑化的药料通过搅拌桨叶向内旋转(正转)将药料下压传送至输送装置。
输送装置采用横向输送螺杆将药料传送至挤出装置,同时进一步塑化。
挤出装置采用纵向挤出螺杆使药料从喷头挤出,喷头直径可变,可挤出不同直径的挤出丝。
打印平台按照打印参数分别在X、Y、Z轴方向上运动实现发射药的打印成型。
捏合装置、输送装置、挤出装置、打印平台和成型仓内均有独立的循环水(可替换为油)加热装置,控制药料在各个阶段的物理状态。
横向输送和纵向挤出均采用变径变距螺杆,可精确稳定地控制高粘度(接近传统制备工艺)药料的输送和挤出过程。捏合、输送和挤出装置的连接,保证了打印过程中药料的均匀性和稳定性,实现了发射药的连续打印。
双基发射药,其组分为60.0%硝化棉、37.5%硝化甘油+硝化二乙二醇,2.0%中定剂和0.5%邻苯二甲酸二丁酯。3D打印制备的发射药的药料溶质比(溶剂质量/发射药质量)为0.4,溶剂为乙醇、丙酮混合溶液(体积比1∶1);打印工艺参数为挤出喷头直径0.6 mm,线宽0.6 mm,层高0.2 mm,打印速度20 mm·
传统方式制备的哑铃型发射药采用柱塞式挤压机将塑化后的药料(溶质比为0.15)经过模具挤压成片状发射药,然后切割成哑铃型发射药试样,记为样品0。
表面结构:从水平和垂直2个方向观察3D打印发射药的表面结构。
尺寸均匀性:采用三维视频显微镜(美国QUESTAR HIROXKH‑1000),根据GJB770B-2005火药试验方
标准偏差(S)反映了组内个体间的离散程度,公式如下:
(1) |
式中,N为发射药的孔径或弧厚的个数;xi为发射药第i个孔径或弧厚的测量值,mm;为发射药N个孔径或弧厚测量值的平均值,mm。
相对标准偏差是标准偏差与测量结果算术平均值的比值。
密度:采用液体静力称量法并连接抽真空装置,根据GJB770B-2005火药试验方法对挤出丝和3D打印的发射药的密度进行测定。
力学性能:根据GJB770B-2005火药试验方法,采用万能材料试验机(上海松顿WGD‑1),在25 ℃和10 mm·mi
采用螺杆挤出式发射药3D打印机打印出各种几何形状的双基发射药(理论火药力1130 kJ·k

图2 3D打印的双基发射药
Fig.2 3D printed double base gun propellants
发射药弧厚的尺寸均匀性是影响发射药燃烧规律和弹道性能的重要因素。采用三维视频显微镜对打印的3D‑4、3D‑5、3D‑6、3D‑7、3D‑8发射药进行测量,测量数据见

a.

b.

c.

d.
图3 3D‑4~3D‑8发射药尺寸测量结果(横坐标i代表孔径或弧厚的个数)
Fig.3 Measurement results of gun propellant grain samples with size of 3D‑4-3D‑8 (The horizontal coordinate i represented the number of perforations or web thicknesses)
Note: 2e1 represented the web thicknesses and d represented the diameter of the perforation.
对喷头直径为2 mm的挤出丝密度进行测定,测得其密度为1.606 g·c

图4 3D打印发射药的密度(喷头直径为2 mm挤出丝测得密度为1.606 g·c
Fig.4 Density of 3D printed gun propellants (Nozzle diameter of 2 mm extruded wire measured density of 1.606 g·c
对3D打印和传统方式制备的发射药哑铃型试样进行抗拉强度测试,样品A、样品B和样品C为3D打印的发射药试样(

图5 3D打印的发射药拉伸试样
Fig. 5 The tensile samples of 3D printed gun propellants
4种发射药试样的拉伸强度测试结果见
(1)采用双基发射药挤出式3D打印工艺,用溶质比为0.4的双基发射药药料(粘度接近于传统制备工艺),通过螺杆挤出式发射药3D打印机打印出了具有不同弧度和角度的多种几何形状(方形、车轮形、星孔形和花边七孔)的双基发射药,为复杂几何形状发射药的制备提供了基础。
(2)打印出的多种几何形状发射药的尺寸均匀性和密实程度良好。花边七孔发射药的尺寸均匀性达到传统发射药的标准,车轮形发射药弧厚的尺寸均匀性最好,标准偏差为0.026 mm,相对标准偏差为0.92%;方形发射药的密度最高(1.567 g·c
(3)哑铃型试样的尺寸大小对3D打印发射药的力学性能影响较小,打印填充路径对发射药试样的力学性能有一定的影响,填充线方向与拉伸方向平行时拉伸强度较好(达14.467 MPa),与传统方法制备的发射药试样拉伸强度相当。
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