美國(guó)空軍理工學(xué)院開(kāi)發(fā)用于3D打印彈藥的高強(qiáng)度鋼

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美國(guó)空軍理工學(xué)院（AFIT）開(kāi)發(fā)了一種用于武器應(yīng)用的高性能3D打印鋼AF-9628。由Erin Hager上尉領(lǐng)導(dǎo)，并由空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）彈藥理事會(huì)贊助，這種粉末床熔合（PBF）技術(shù)使得鋼的生產(chǎn)具有比傳統(tǒng)AM合金更高的拉伸強(qiáng)度。使用這種方法生產(chǎn)3D打印的復(fù)雜彈藥，然后進(jìn)行測(cè)試，為更輕的彈藥鋪平道路。

用AF-9628粉末印刷各種零件后，上尉Erin Hager分析了產(chǎn)生的孔隙率，強(qiáng)度和沖擊韌性照片來(lái)自空軍理工學(xué)院。

空軍級(jí)鋼AF-9628
AF-9628由AFRL的Rachel Abrahams博士開(kāi)發(fā)，是一種具有高強(qiáng)度和韌性的鋼合金。在最初的開(kāi)發(fā)中，AF-9628被用來(lái)制造具有所需爆炸輪廓的掩體炸彈。與HP-9-4-20（一種用于Massive Ordnance Penetrator武器系統(tǒng)的鋼）相比，AF-9628是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗�不含鎢。      盡管AF-9628的配方比傳統(tǒng)彈藥中使用的普通牌號(hào)貴，但其成本卻低于其他高性能鋼合金，包括Eglin Steel和HP-9-4-20。對(duì)于這些吸引人的特性，特別是其高強(qiáng)度，研究實(shí)驗(yàn)室確定AF-9628是增材制造的最佳材料。        3D打印越來(lái)越多地融入軍隊(duì)的運(yùn)作中。此前，空軍利用該技術(shù)為傳統(tǒng)飛機(jī)打印低成本替換零件。在美國(guó)陸軍，3D打印已被用于按需生產(chǎn)工具和備件。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）有多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步計(jì)劃，包括使用空軍鋼合金AF96粉末為地面車(chē)輛3D打印高強(qiáng)度備件。

3D打印鈦合金零件為研究人員提供了高強(qiáng)度，耐熱性能。照片來(lái)自美國(guó)陸軍/大衛(wèi)麥克納利。  

粉末床熔合鋼合金       
合金的粉末床熔合一直是具有挑戰(zhàn)性的。這是某些合金不會(huì)熔化并且在形成零件時(shí)易于破裂的結(jié)果。在確定AF-9628是否可打印時(shí)，Hager專(zhuān)注于首先表征粉末的形狀和大小，然后研究并確定它是如何隨著熔化和篩分而變化的。在AFIT的掃描電子顯微鏡下進(jìn)行檢查。后來(lái)，代頓大學(xué)研究所使用尺寸表征光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了性能測(cè)試。一旦Hager確定金屬粉末在機(jī)器中可預(yù)測(cè)地熔化，就會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的測(cè)試物品。在對(duì)各種零件進(jìn)行3D打印后，Hager分析了所得的孔隙率，強(qiáng)度和沖擊韌性。       令Hager驚訝的是，她的3D打印合金零件表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，沒(méi)有開(kāi)裂跡象。滿足所需的10％伸長(zhǎng)率，表明強(qiáng)度增加而不變脆。事實(shí)上，輸出與傳統(tǒng)的鍛造和熱處理AF-9628零件非常相似。

Erin Hager上尉將粉末狀的AF-9628鋼倒入粉末床熔接機(jī)中。照片來(lái)自空軍理工學(xué)院。

3D打印彈藥
在成功地3D打印簡(jiǎn)單零件之后，他們嘗試了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如幾個(gè)復(fù)雜的拋射物。在AFIT使用兩臺(tái)機(jī)器，Hager 3D打印了約130個(gè)零件，包括30個(gè)小圓柱，60個(gè)大圓柱，20個(gè)拉伸條和20個(gè)沖擊試樣。       Hager制造的零件適用于武器應(yīng)用。雖然測(cè)試的粗糙度和孔隙率在功能部件中并不理想，但是注意到這些性能適合作為一次性物品的彈藥的部件。結(jié)果還表明，在極限拉伸強(qiáng)度方面，用AF-9628加成制造的部件比傳統(tǒng)AM合金強(qiáng)約20％。增材制造允許武器工程師只在需要的地方對(duì)彈藥施加重量。根據(jù)Hager的說(shuō)法，這最終“可以使更輕的彈藥變得更加深入，因此飛機(jī)可以攜帶更多的武器。”目前，AF-9628粉末只能以非常小的批量生產(chǎn)。       現(xiàn)在，AFRL的彈藥管理局領(lǐng)導(dǎo)了涉及3D打印彈藥的進(jìn)一步研究工作。該局旨在制造具有精確控制碎片和爆炸壓力剖面的彈藥，以最大限度地減少附帶損害。

   AF-9628粉末加工制造零件的熱成像。 照片來(lái)自空軍理工學(xué)院。