[0001] 本发明属于3D打印和聚能战斗部技术领域，具体涉及一种基于熔融沉积3D打印技术的低密度复合材料药型罩及其制备方法。

[0002] “爆炸反应装甲”因为轻质和优良的防护性能，经常被披挂在坦克车辆上以用来对付反坦克弹药，通常由两块平行的钢板中间夹一层炸药制成，中间夹层炸药往往是惰性的，而且具有一定的引爆条件。当破甲弹侵彻爆炸反应装甲盒体的时候，弹丸的引信引爆聚能战斗部装药，形成聚能破甲射流以引爆中间层的惰性炸药，爆炸反应装甲的前后飞板在夹层炸药的爆轰下，开始沿着各自板面的法线方向高速运动，并对聚能破甲射流进行周期性的切割，导致射流在穿过爆炸反应装甲之后失去连续性和稳定性。与此同时，射流在受到金属碎片和向侵彻入口高速喷出的爆轰产物的侧向阻力作用下，会发生严重的歪曲和断裂，从而削弱射流度主装甲的侵彻穿透能力。

[0003] 爆炸反应装甲出现的同时也促进了反装甲武器的发展，目前被广泛应用的反爆炸反应装甲武器主要的是串联战斗部技术。例如前后两级都采用聚能装药的串联战斗部，其前级一般采用金属药型罩，利用产生的金属射流冲击并引爆爆炸反应装甲的夹层炸药。经过一定的延迟时间后，后级装药起爆形成主射流对目标装甲进行毁伤。该技术虽然避免了主射流直接面对爆炸反应装甲，但还是会受到爆炸反应装甲夹层炸药爆炸后产生的爆轰场的影响，减小主射流的侵彻威力。为了避免这种情况的发生，人们提出了对爆炸反应装甲“穿而不爆”的技术，目的是令射流穿过爆炸反应装甲的同时不引爆中间的夹层炸药，为串联战斗部的后级主射流开辟侵彻通道。

[0004] 目前研究发现，串联战斗部的前级聚能射流如果采用非金属、金属‑非金属复合材料等低密度材料，其产生的低密度聚能射流可以实现对爆炸反应装甲的穿而不爆技术。因此低密度复合材料药型罩是用来对付“爆炸式反应装甲”的有力武器装备之一，低密度复合材料药型罩目前已有的制备方法有：传统车削、冷压烧结、模压成型、热压等加工工艺。以上制备工艺存在精度低、材料浪费大、耗时长等缺点。

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例和说明书附图对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 本发明提供了一种基于熔融沉积3D打印技术的低密度复合材料药型罩及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：

[0035] 1)根据多级串联战斗部中的前级小口径破甲战斗部尺寸使用三维模型建模软件设计低密度复合材料药型罩三维模型结构，选择低密度复合材料药型罩的3D打印材料。该3D打印材料应具备黏度低、熔融温度低、力学性能好，黏结性好、收缩率较低等特点，其为适用于熔融沉积3D打印技术的非金属和金属‑非金属复合材料。优选地，该复合材料的密度不
3
大于5g/cm。在本发明中，首次提出采用PLA‑Cu复合材料用于药型罩的3D打印。

[0036] 2)根据低密度复合材料药型罩模型结构尺寸，设定低密度复合材料药型罩的3D打印的层高、喷嘴直径、喷嘴温度，走线方向、打印速度。所述3D打印的层高需满足药型罩设计图纸所描述的精度要求和致密性要求，药型罩密度与线材密度误差不大于1％。所述喷嘴直径需根据打印材料的粒径适时确定，喷嘴直径与药型罩壁厚比值不大于30％，如采用金属‑非金属复合材料，喷嘴直径应为金属粒径的100‑1000倍。由于3D打印材料会经历“固体‑熔融状态‑固体”的转变过程，为满足材料的成丝性要求，因此所述喷嘴温度应高于所选3D打印材料熔融温度的10％‑20％。所述走线方向应以药型罩内部密实为导向，其垂直于爆轰波方向，致密度不小于99％。所述打印速度要求在打印过程中应确保熔丝不产生断裂现象，打印速度不高于45mm/min。

[0037] 3)结合3D打印机的切片软件，将所述低密度复合材料药型罩的三维模型分解为二维切片模型，并将二维切片模型信息导入3D打印机，使用PLA‑Cu复合材料进行熔融沉积3D打印工作，然后取出3D打印的低密度复合材料药型罩，并进行边缘打磨处理；所述二维切片模型设计应满足步骤2中所设定参数标准。支撑材料包含但不限于水溶性PVA材料。所使用的二维切片软件为适用于熔融沉积型3D打印机的开源切片软件。

[0038] 4)设计多级串联战斗部前级小口径装药结构，使用粘合剂安装和调试3D打印的低密度复合材料药型罩与所述装药结构。所述多级串联战斗部前级小口径装药口径介于15‑3
45mm之间，装药长径比介于0.8‑1.3之间。装药密度应不小于1.65g/cm 。述安装和调试3D打印低密度复合材料药型罩与装药药柱之间的结构，所使用的装调粘合剂包括虫胶漆材料。

[0039] 实施例1

[0040] 本发明所使用的3D打印机为来自荷兰Ultimaker公司的Ultimaker S5型3D打印机，其样品成型方式为熔融沉积形式。其支持试件的最大打印尺寸可达到330mm*240mm*300mm。

[0041] 如图1和2所示，根据多级串联战斗部中的前级小口径破甲战斗部尺寸在三维建模软件中依照所设计的模型样式和尺寸建立PLA‑Cu药罩实体模型。然后将其保存并导为STL文件，再将此STL文件导入到适用于Ultimaker S5型3D打印机的开源切片软件Cura中进行二维切片处理，如图3所示。本发明所采用的低密度复合材料药型罩材料为铜粉填充改性聚3
乳酸材料(PLA‑Cu)。优选地，所述PLA‑Cu材料密度为1.46g/cm ，所述PLA‑Cu材料中铜粉含量2.85％，铜粉粒径为20‑50μm。

[0042] 低密度复合材料药型罩三维模型装药口径介于15‑45mm之间，装药长径比介于0.8‑1.3之间，优选地，所述低密度复合材料药型罩的三维模型的口径为37mm，装药长径比为1.24，如图4所示。适用于3D打印机三维建模软件为计算机设计辅助CAD软件。优选地，所述低密度复合材料药型罩三维模型建模软件为Solid Works。选择适用于熔融沉积3D打印技术的3D打印机。优选地，所述3D打印机器为Ultimaker S5型，开源切片软件为Cura。选择适用于熔融沉积3D打印技术的材料。优选地，所述3D打印材料为铜粉填充改性聚乳酸(PLA‑Cu)。

[0043] 在二维切片软件Cura中，设定低密度PLA‑Cu复合药型罩实体模型的打印层高为0.1mm，喷嘴直径为0.2mm，喷嘴温度为230℃，走线方向选为同心圆，打印速度为20mm/min，填充密度为100％。最后将完成切片的二维切片模型发送给Ultimaker S5型3D打印机完成低密度复合材料药型罩的制备。

[0044] 开始打印前，在3D打印机中输入打印参数，本发明中填充密度为100％，以最大可能的减小低密度复合材料药型罩的内部空隙。因为PLA‑Cu材料的融化温度为190℃，所以喷嘴温度设定为230℃。同时将打印平台温度设置为60℃，并在整个打印过程中对3D打印机进行保温处理，以保证在打印过程中低密度复合材料药型罩的边缘不会因为温差过大的原因发生翘曲和形变。针对不同材料选择不同口径的打印喷嘴直径，优选地，PLA‑Cu复合材料的打印喷嘴直径为0.4mm。

[0045] 等待模型冷却，然后将熔融沉积3D打印的低密度PLA‑Cu复合材料药型罩从3D打印机的支撑平台上取出，并使用砂纸进行对边缘部位打磨处理，结果如图5所示。按照图4设计3
并加工多级串联战斗部前级小口径药柱模具，按照1.71g/cm的要求计算出所需要的8701炸药质量，将8701炸药倒入模具中，在单轴压力机上完成药柱的制备。最后使用90％的虫胶漆将低密度PLA‑Cu复合材料药型罩与药柱进行粘合，如图6和图7所示。

[0046] 测量得到PLA‑Cu药型罩的壁厚为0.311，与设定壁厚的相对误差为3.7％。高度为26.055，与设定高度的相对误差为0.06％，药型罩锥角为59.9°，与设定锥角的相对误差为
0.17％。

[0047] 性能测试

[0048] 对实施例1所得到的3D打印低密度PLA‑Cu复合材料药型罩开展聚能射流冲击起爆爆炸反应装甲试验。对爆炸反应装甲的冲击起爆结果如图8所示。可以看出，PLA‑Cu复合材料药型罩不仅实现了对爆炸反应装甲的“穿而不爆”，而且令爆炸反应装甲中的炸药层发生了大面积失效现象，达到了为后级主射流侵彻爆炸反应装甲干扰的作用。

[0049] 综上可以得出：

[0050] 第一，本发明提出了一种基于熔融沉积3D打印技术的低密度复合材料药型罩及其制备方法，其制备的低密度PLA‑Cu复合材料药型罩精度较高，与图纸设计模型相对误差较小，提高了低密度复合材料药型罩的制备精度。

[0051] 第二，本发明提出的使用PLA‑Cu复合材料来制备低密度复合材料药型罩的新思路，该材料具备可降解能力，在不影响低密度复合材料药型罩的侵彻性能下对生态环境非常友好，相比现有低密度复合材料药型罩材料而言，适用性更强。

[0052] 尤其是，本发明制备的低密度PLA‑Cu复合材料药型罩可以实现对爆炸反应装甲的穿而不爆，对爆炸反应装甲的开孔较大，并且令爆炸反应装甲的炸药层发生了大面积失效现象，完美的实现了为后级主射流开辟侵彻通道的效果。

[0053] 应当指出，以上所述的实施例仅为本发明的优选实施方式。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明进行若干修改、改进和等效替换，这些修改、改进和等效替换也视为落入本发明权利要求的保护范围之内。