基于挤出沉积的发射药增材制造研究

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发射药是身管武器的重要组成部分,在一定程度上决定了身管武器的作用威力。发射药的传统制造需要利用模具,难以满足复杂结构的需求。3D打印技术是一种以数字文件为基础的、将材料逐层累加成实体物品的数字化快速成型制造技术,能够满足发射药无需实体模具即可成型的要求,能够快速精密制备出所需发射药,具有研发周期短、按需打印、安全性高等特点。针对发射药粘度高、不能加热等问题,基于挤出成型原理和溶剂法制备的特点,考虑到发射药不能高温加热的性质,设计了一个无需加热、便于装料的挤出系统,搭建出一个加热灵活的发射药挤出成型3D打印机。在此基础上研究了成型工艺和关键工艺参数,制备出了发射药,取得的主要成果如下:首先,根据发射药物料特点,研究其流变性能,并建立了发射药挤出条件下流量控制方程,在此基础上推导了柱塞挤出条件下的挤出压力、出料流量和物料沉积的分析计算方法。对发射药3D打印机的机械系统和软件控制系统进行总体设计,将3D打印机的总体功能结构分为挤出系统、加热系统、运动系统和控制系统,完成了发射药3D打印样机各系统主要结构的设计,进行了整机样机的研制装配与搭建,为后续发射药3D打印的研究奠定了基础。其次,选择某ZY发射药作为3D打印发射药原料,通过喷嘴挤出成型理论与实验研究,建立了物料浓度与喷嘴内径之间的多项式函数关系:最大可用针头内径(y)与浓度(x)的函数关系为:y=4×10-6x~4-0.0006x~3+0.035x~2-0.8487x+7.8174;最小针头内径(y)与浓度(x)的函数关系为:y=2×10-6x~4-0.0003x~3+0.0177x~2-0.4543x+4.434。最后,通过单因素变量实验,研究了针头内径、打印速度及底板温度等工艺参数对发射药尺寸收缩率及拉伸力学性能的影响。结果表明:三个工艺参数均会影响发射药的尺寸收缩率及拉伸力学性能;在尺寸收缩率方面,当针头内径为0.7mm、打印速度为3mm/s、底板温度为35℃时,试样整体的尺寸收缩率最小。在力学性能方面,当针头内径为0.7mm、打印速度为4mm/s、底板温度为35℃时,样品的抗拉伸强度最大。
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