1. 1含能材料3D打印技术简述
含能材料是一类具有爆炸性基团或具有氧化剂和可燃物，在外界一定的能量刺激下，能独立地进行化学反应并释放大量能量、气体和热的化合物或混合物其包括发射药、推进剂、猛炸药、起爆药、烟火剂等材料系列。在军事领域，含能材料是武器火力系统不可缺少的重要组成部分，应用于各类武器火力系统的压力推进、反作用推进与爆炸做功；在民用领域，其在航空、机械、石油、冶金、气象、矿业、建筑、农业和体育等行业中也得到了广泛的应用。由此可见，含能材料在国防工业和经济建设中均发挥着不可替代的重要作用。
3D打印技术，又称增材制造技术、快速成型技术，是一项集材料科学、计算机图形处理、数字化信息控制及机电一体化技术于一体的先进制造技术，区别于传统的减材加工方式，其以＂増长法＂为核心思想，以产品的数字三维模型数据为基础，通过运用高能束源或其他方式，将液体、粉末、丝材或片状材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型。该技术的核心思想最早起源于19世纪末的美国，经过多年的发展现已拓展出包括光固化成型（Stereo Lithography Apparatus, SLA）、层片叠加制造（Laminated Object Manufacturing, LOM）、选择性激光烧结（Selected Laser Sintering, SLS）、熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）以及三维印刷成型（Three Dimensional Printing, 3DP）等多种技术路线和实现方法。由于其无需使用传统的刀具、夹具及多道加工王序，而是将制件实体转变为多个二维层面，使得制造难度大大降低。理论上，只要能在计算机上设计出的结构模型，均可以应用该技术快速的将设计转变为实物，因而尤其适用于异型结构、曲面及内控结构零部件的加工制造，目前该技术已在航空航天、武器装备、机械制造、生物医学等多个领域得到了广泛应用。将3D打印技术引入含能材料成型领域，对含能材料3D打印成型工艺及成型设备进行开发研巧，可以有效的弥补传统成型方式柔性差、适应性不强的缺陷，为含能材料进一步发展开辟新的途径。
FDM的全称为（Fused Deposition Modeling），中文翻译为熔融沉积成型。于20世纪80年代由著名3D打印公司stratasys公司创始人Scotton Crump发明。FDM的工作原理是由加热件将固定直径的丝状物体熔融，并用一定压力将熔融材料从细小喷嘴处挤出，同时喷头随着运动模块进行移动，将挤出的材料粘附在之前的层面上，通过逐层累加的方式，直至完成整个实体造型。工作原理如图1所示：
图1 FDM成型机工作原理
FDM的优点是无需激光系统，价格低廉；操作环境卫生，安全，原材料为丝材，便于搬运与更换，常用材料为ABS与PLA，工艺简单，几乎不产生垃圾。ＦＤＭ成型机在制作空腔或者悬臂时还需添加支撑材料以免模型坍塌。但成型件表面精度不高，且ABS，PLA材料容易翅曲。成型速度较慢，成型件尺寸由打印机的尺寸限制，不能太大。
1.2研究现状
将传统含能材料制造工艺与新兴3D打印技术相结合，若能突破3D打印用含能材料筛选，含能材料制造快速成型及含能材料制造系统集成Ｈ方面的关键技术，将能很好的解决当前含能材料制造工艺过程冗繁、适应性差等方面的问题。目前国内外在含能材料増材制造技术研究领域的相关报道还比较少，但也有相关学者取得了一定成果。将3D打印技术应用于含能材料制造领域的理念最早起源于美国，1999年DARPA（美国国防高级研究计划局）即投资４千万美元，用于发展直写技术，其中一个重要的硏究方向即是含能材料的3D打印成型技术。2008年，美国学者研究出一种通过生物降解含能炸药或拟高能炸药等聚合物进行喷墨打印制造聚合物微球体的方法。2010年，J. L.Zunino.Lii, D.P. Schmidt, A.M.Petrock等人分析了基底配置、喷墨类型、热退火步骤及封装技术对3D打印技术的影响，并指出含能材料喷墨打印技术将在新一代美军装配研制中发挥重要作用。Andrew C.Ihnen, Brian E. Fuchs等人将纳米黑索今与有机溶剂混合制备成含能材料油墨，基于喷墨打印系统对直写入引信进行制备，并成功打印出混有含能材料油墨的图形，但未能打印出可用于性能检验的成型件。2011年，Jerome K.Fuller等人经过实验测试论证了快速成型技术在火箭发动机制备领域应用的可行性，并指出快速原型技术将为复杂异型结构火箭发动机制备问题提供新的解决方案。2013年，美国宾夕法尼亚州立大学的Derrick Armold和Mattthew J.Degges等人对快速成型技术在混合火箭发动机制造领域的应用进行进一步研巧，并就快速成型技术制造的3种不同组分的混合火箭燃料颗粒进行了性能测试，实验结果证明快速成型技术在未来混合火箭燃料制备领域有着很广阔的应用前景。
目前在国内，含能材料3D打印技术的研究主要集中在高等院校，其中南京理工大学为主要研究单位。2003年许迪研究了化学巧片的快速成型技术，对化学芯片快速成型系统的硬件和软件部分进行了设计，并对该系统进行大量的试验，试验结果表明整个系统能够完成简单图形的快速成型制造，并且运行稳定可靠，但试验材料只限于光固化树脂，并未完成对含能材料的成型加工试验。2005年朱锦珍对化学芯片快速成型系统控制软件各子模块进行了优化，并对不同基底上固化膜剥离强度进行了测试，测试表明在陶瓷基地上固化膜附着力最好，但其打印材料仍为光敏树脂，未完成对含能材料进行打印。宋健康对快速成型技术在引信领域的应用进行了深入探讨，并分别运用3维打印粘结成型工艺和选择性激光烧结工艺对引信零件模型及引信本体进行了制作。2006年王建对化学芯片喷墨快速成型的喷头进行了优化设计，对其成型工艺参数进行选择，分析研究了影响打印油墨固化的因素，并初步将成型工艺与含能材料近似物相结合。2012年邢宗仁在原有化学芯片喷墨快速成型系统的基础上，利用含能材料油墨进行了MEMS微孔自动化装药并对简单模型进行了云维成型实验，其中微孔填充装药效果较好，但Ｈ维成型实验仅进行到第4层面，并未得到完成的成型件。2013年汝承博等人对含能油墨的制备进行了研究，并利用溶胶凝胶法配制出纳米铝热剂含能油墨。2015年钱力在对溶胶凝胶法改进的基础上，制各出更适宜喷墨打印的含能油墨，并对其打印特性进行了研究。李静对光固化含能材料油墨进行了进一步的研究，并利用喷墨打印工艺制备了含能材料薄膜。中北大学王景龙则在3DP快速成型工艺原理的基础上，利用细化RDX（黑索今）及树脂制成的含能材料油墨进行了喷墨打印和微孔自动装药实验。沈龙生等人则通过结合喷墨打印和湿法压装两种装药方法，使得打印制品的装药密度及均一性都得到了提升。
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