当3D打印技术遇上军工领域，除了我们经常看到的航空航天应用，其他武器系统也在大量应用，这类应用往往由于信息敏感，难得以分享。

在火炸药工业领域，从固体推进剂到微型引信，从火炮装药到复杂炸药结构，3D打印技术正在以其独特的优势进入这个传统而保守的领域。

有幸的是，来自西安近代化学研究院的研究团队联合四川轻化工大学，为我们带来了一篇极具价值,且这个领域为数不多的综述性研究。

这篇发表在《Additive Manufacturing Frontiers》的文章，全面梳理了3D打印技术在固体推进剂、火炮推进剂、炸药以及起爆装置等武器系统中的突破性应用。

本文将通过此研究综述带您深入了解这项革命性技术在军工领域的最新突破和应用案例，展现一个正在快速发展的新兴产业图景。

由于推进剂及爆炸物化合物专有名词较多，如出现翻译错误，请读者私信反馈。

本文图片较少（领域较敏感），内容较干，案例仅节选部分内容，建议在该领域有兴趣的读者自行查阅原研究。

固体推进剂的精准控制之路

在固体推进剂领域，3D打印技术展现出了令人瞩目的创新应用。

2017年，荷兰TNO公司取得重要突破，成功打印出固含量达75%的多孔推进剂，这是首次在如此高固含量条件下实现稳定3D打印。

2017年，印度科学研究所的Chandru团队率先使用单喷头喷墨打印(原文为Inkjet, 但看上去更像是DIW)技术，成功制造出具有多维孔隙网络的固体推进剂颗粒。

如图9所示，该技术能够通过调节内部孔隙形状和填充物的类型与密度，实现推进剂能量密度的精确调控。

这些打印的推进剂颗粒经测试表现出与传统真空浇注工艺相当的性能。

2021年，普渡大学的研究团队更进一步，开发出了具有快速燃烧内层和慢速燃烧外层的双层梯度推进剂结构。

内层添加了1%的氧化铁或5%的纳米铝，而外层则由85% AP和HTPB组成。这种创新设计在3.45-10.34MPa压力范围内展现出优异的燃烧性能，并且层间未出现分层现象。

2021年，犹他州立大学推进研究实验室利用3D打印技术开发出一种创新的'绿色'固液混合燃料柱系统。

研究人员通过将燃料柱中的铜质量浓度提升至6%，并与ABS燃料均匀混合，实现了高效的传热机制。

这种机制能够在火焰区域和固体燃料之间实现深度辐射传热，显著提高了燃料的热解效率和回归速率。

热火试验结果表明，铜的注入不仅提高了3D打印燃料的回归速率和推力，还在保持燃料体积的同时提升了燃料密度，从而改善了推进剂的比冲密度。

同年，Collard等人开发出一种创新的嵌入式反应线技术，通过在推进剂中嵌入可完全消耗的反应线来有效提升参与燃烧的表面积，增强燃烧速率。他们采用动态X射线成像技术定性和定量表征了推进剂内部复杂燃烧表面的演变过程。

此外，佛罗里达理工学院于2021年使用FDM技术成功打印出具有螺旋通道的ABS固液混合推进剂。

实验结果表明，螺旋结构显著提升了传热效率，改善了推进剂的燃烧特性。

2023年，Tan等人开发了两种新型光热双固化粘合剂—丙烯酸型羟基封端聚丁二烯和丙烯酸型羟基封端聚醚，利用阳离子开环聚合和活性单体机理实现光热双固化反应。

如图10所示，该技术不仅解决了传统光固化3D打印中存在的固化速度慢和短时间内无法完全固化的问题，还显著提升了打印材料的力学性能和低温性能。

2023年，爱荷华大学的研究团队采用压力辅助喷射成型3D打印技术制备固体推进剂，通过调节施加压力、层厚和每层粘合剂含量来控制推进剂的固含量和密度，从而调控其燃烧行为。

实验结果表明，打印的固体推进剂达到了85.5%的最大密度和96.1%的最大固含量，远超现有研究报道水平。此外，该推进剂还展现出0.88 MPa的抗拉强度、20.7 MPa的弹性模量和9.1%的断裂伸长率。

AM易道认为， 从研究方向看，3D打印带来的精确可控的材料分布、复杂结构成型能力等特点，为高性能推进剂的研发和制造提供了新的可能。

火炮推进剂的3D打印工艺突破

在火炮推进剂领域，3D打印技术同样带来了新研究。

2013年，美国应用科学研究院首次采用熔融沉积成型(FDM)技术实现了三硝基甲苯(TNT)的3D打印，并成功引入了TNT/RDX复合配方。

2017年，荷兰应用科学研究组织(TNO)使用UV光固化3D打印技术制备出高密度推进剂颗粒和低易损性弹药装药盘，如图11所示。

2020年，Yang等人使用光固化3D打印技术制备了多孔火药，其配方由25%UV固化环氧丙烯酸树脂、50% RDX、12.5%含能增塑剂Bu-NENA和12.5%反应性稀释剂组成。

研究人员对打印样品的安全性、机械强度和燃烧性能进行了全面评估，并在30毫米试验炮上进行了孔盘推进剂(MPD)的实弹试验，取得了预期的力学性能和燃烧性能。

2020年，TNO完成了一项具有里程碑意义的实验—成功完成30mm口径装有3D打印推进剂的弹药点火试验。

这标志着3D打印推进剂在实际应用领域迈出了关键一步。

紧接着，美国海军陆战队后勤办公室在马里兰州印第安黑德海军水面战争中心完成了间接火力弹药的打印和爆炸试验，证明了3D打印弹药较传统制造弹药具有更高的杀伤力，同时提供了更好的安全性和精确性。

同年，Hu等人使用RDX和含能光敏树脂开发了一种通过3D光聚合打印技术制备的新型推进剂。实验证明了该原理的可行性，并对相关性能进行了研究。

与惰性光聚合粘合剂配方相比，3D打印推进剂的能量提高了200 J/g以上。

2022年，为解决光固化固化技术中推进剂配方能量水平相对较低的问题，Yang团队转向了挤出式3D打印技术。

他们以环氧丙烯酸树脂(EA)为粘合剂，2,4,6-三甲基苯甲酰-二苯基氧化膦(TPO)为光引发剂，添加70%质量分数的CL-20作为含能固体添加剂，成功制备了一种基于光聚合的3D打印推进剂。

实验结果表明，打印样品的缺陷少于传统硝化纤维素基推进剂，展现出更高的抗拉强度和抗压强度，但韧性有所降低。

2021年，南京理工大学的Zhou团队针对推进剂高粘度和易燃性导致难以高温加热的问题，设计了一套挤出系统并构建了适用于推进剂的柔性加热系统。

他们以硝化纤维素(NC)为主要成分，制备了不同浓度(27.3%至50%)的材料配方。通过自主研发的推进剂3D打印机，他们确定了最佳打印工艺参数：填充速度2-4mm/s，填充比率70%-90%，床温25-45℃，最终获得了最大抗压强度达230MPa的打印样品。

AM易道认为，3D打印技术在火炮推进剂领域的应用可以看出，光固化和FDM技术并行，各有各的材料配方，各有各的优势，各有各的场景，和前面一部分类似，结构层面依旧是通过多孔型火药提升性能。

炸药领域的3D打印突破

我们来看看炸药方面的3D打印应用。

Armold等人开创性地将热喷墨打印和涂层沉积技术相结合，在镀金硅基底上成功打印出TNT、RDX和硝酸铵悬浮液。

随后，Brain团队开发了一系列基于CL-20的创新炸药墨水配方，其中EDF-11配方满足了所有工艺要求：粘度在31000-35000 mPa/s范围内，能量固体含量达到95%。

这些研究为微型起爆装置的精确制造奠定了基础。

西南科技大学的Wang团队使用GAP作为粘合剂，并引入N-100作为固化剂，成功制备了亚微米级CL-20复合打印配方。

如图12(a)所示，他们采用3D打印技术实现了三维周期性结构，研究结果证实该炸药油墨能够在0.4×0.4mm的微型装置上可靠地传递爆轰。

中国工程物理研究院化工材料研究所的Huang团队提出了利用3D打印技术制备具有轴向多层、径向多层和轴向/径向复合结构的新型复合装药结构。

如图12(b)所示，他们建立了CL-20/GAP/N100和TATB/GAP/N100炸药配方的打印系统，使用3D打印技术构建了TATB和CL-20的三种新型复合装药结构。

撞击感度评估结果表明，轴向/径向复合多维装药结构（CL-20质量分数为90%）的特征高度达到72.00cm，是同质量均匀CL-20装药的3.14倍，表明安全性能显著提高。

2017年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员采用直写打印(DIW)技术实现了对含能材料冲击波特性的控制。

他们通过在含能材料前端实现了对输出冲击波的精确调控，为高性能炸药的设计开辟了新思路。

同年，普渡大学设计了一种双喷头喷墨控制装置，通过平台移动和交替喷头喷射，成功实现了纳米级铝基含能油墨配方的精确打印。

2018年，ATK公司完成了3D打印高超音速弹头的静态爆炸试验。

同年，美国的Gaston团队提出了使用3D打印技术设计周向多效破片战斗部(MEFP)的方案。

与传统弹药制造工艺相比，3D打印不仅提高了生产和装配效率、缩短了研发周期，还降低了MEFP弹头生产中的废品率。

南京理工大学的Xiao团队自主开发了一套用于浇注炸药的3D打印原型机。

通过调节浇注炸药的配方和工艺参数，他们成功打印出了纳米级HMX和TNT复合炸药柱。

打印柱体密度达到1.653g/cm³，展现出优异的稳定性和成型性。

AM易道认为，3D打印技术在炸药领域的创新应用主要是为爆炸的精确调控提供新的技术支撑。

起爆装置的精密制造

早在1999年，美国国防高级研究计划局(DARPA)就开始探索3D打印技术在含能材料领域的应用。

这一开创性项目将传统的烟火技术与喷墨打印技术相结合，首次实现了将不同类型的含能材料（如引发药和高能炸药）与粘合剂和有机溶剂一起液化，并装入3D打印机的不同打印头中。

这项技术的突破为后续的微型引信装置发展奠定了基础。

在起爆装置领域，3D打印技术展现出了前所未有的精密制造能力。

2020年，He团队采用喷墨打印和聚合物交联技术制备了GAP/NC/DNTF微尺度含能复合物，如图14所示，在1mm装药宽度条件下，DNTF基喷墨打印样品的临界起爆厚度为0.015mm，爆速高达8686m/s。

该工艺展现出优异的能量性能和显著的微尺度起爆能力。

鉴于纳米铝粉表面惰性氧化铝壳层的钝化和纳米颗粒在生产、储存和使用过程中的团聚问题限制了纳米铝粉的反应活性和安全性，Zheng团队利用3D打印技术制备了氟化铝热剂油墨。

氟聚合物的独特分子性能提高了铝热剂油墨的力学性能，同时氟聚合物与表面氧化铝发生反应，促进了铝与氟聚合物之间的反应。

为探究DIW技术挤出工艺中喷嘴通道结构参数对含能材料流动的影响，2023年Ding团队基于Polyflow挤出模块建立了高粘度含能材料挤出模型。

研究结果表明，锥角100°、喷嘴出口直径1.5-1.75mm时，挤出过程相对稳定且膨胀最小，成型段的增长可以减少出口处的膨胀效应，同时提高所需的入口压力。

这项研究为优化3D打印工艺参数提供了重要的理论指导。

2010年，Ihnen团队在引信直写技术领域取得重要突破。他们使用RDX作为含能材料，并将乙酸乙酯、纤维素和聚乙烯醋酸酯的混合物作为粘合剂进行实验。

开发的RDX含能墨水适用于喷墨打印系统，能够满足高分辨率图形的打印要求。

2011年，Emery团队更进一步，开发出了一套能够打印复杂爆炸传播和起爆网络的含能墨水书写系统，使用EDF-11作为含能墨水材料，为高精度起爆系统的制造提供了新的技术途径。

在MEMS起爆器件领域，2019年Guo团队使用TPO作为光引发剂，PUA作为UV固化粘合剂，CL-20作为炸药组分制备了UV固化含能油墨，研究了CL-20基UV固化炸药油墨的微尺度装药。

实验表明，该油墨在UV照射3分钟后的7分钟内实现完全固化，展现出快速固化性能。临界起爆尺寸为0.078mm，爆速达7357m/s，显示出内部缺陷少、撞击感度低等优点。

2013年，Zhu团队以精制CL-20为含能油墨材料，选用PVA和EC作为粘合剂，以水和IPA为溶剂制备了可书写炸药油墨复合物CL-20/PVA/H2O/EC/IPA。

他们研究了不同粘合剂、溶剂及其配比对含能油墨性能的影响，为微型起爆装置的精确制造提供了新的技术路径。

AM易道认为，3D打印技术在起爆装置领域的创新应用，正在推动起爆装置向微型化、智能化和高可靠性方向发展。

AM易道最后聊两句

3D打印技术在炸药与推进剂领域的应用正在大家看不到的地方快速发展。

从微型起爆装置到复杂装药结构，从材料体系创新到工艺突破，3D打印在其他领域体现出的材料-结构-性能一体化可精确调控能力也在这个领域发光发热。

虽然以AM易道个人观点来看，3D打印在这个领域还面临大量验证工作以及降本压力，但随着武器微小型化以及精确化的要求越来越高，3D打印将推动这个产业向更高水平发展。

特别值得注意的是，各国对3D打印技术在此领域的重视程度均很高，不论是国内外的研究机构均或多或少与国防工业相关联。

AM易道认为，未来3D打印技术在炸药与推进剂领域的发展将呈现以下趋势：

材料体系将向高性能、多功能方向发展；工艺技术将实现更精确的控制；应用领域将催生新的产品形态。

目前AM易道对于该领域应用的粗略判断是，在固体推进剂领域仅做一些材料和结构创新提升效能；炸药端要想替代便宜又好用结构又简单的产品概率不大，更多的是通过结构进行小型化以及爆炸可编程能力来进行产品形态创新；在起爆、引爆端这个分支反而会出现大量的创新，毕竟在有限体积内“精确建高楼大厦”实现各种引爆需求是3D打印的长项。

抛砖引玉。

本文仅对这项研究做了框架性介绍。论文中还包含了大量其他应用案例，以及材料制备、工艺控制、性能测试等方面的技术细节。

感兴趣的读者请根据如下信息查阅原文，深入了解精彩技术创新细节。

https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200151