枪械的3D打印技术简述

鲍立垠 张雯 李轶昳 周志飞 金益锋

3D打印是结合数字建模、信息技术、机电工程与材料科学等多门类前沿知识，实现了由无到有、由点到面、由面成体的离散堆积与增材制造过程[1]。3D打印近年来引起国内外广泛关注，不仅科研报道密集，而且成为社会经济热点，逐渐为公众所了解。与传统加工方式相比，当前3D打印技术的发展摆脱传统材料加工工艺中仅能针对单一成分的限制，实现材料成分功能化、梯度化，在材料加工成型的同时合成相应的材料组分；适用于空间尺度多样化的零部件结构制造，从微观到宏观结构都有所涉及；降低了复杂形状产品的加工难度，能够制造传统工艺无法实现的特殊结构工件，即直接形成具有一定功能的复杂结构，简化或跳过零件的装配过程[2，3]。

一、多样化的3D打印技术

3D打印技术最初仅指3D喷印（3DP）等较为狭窄的范围[4]，随着这一理念的提出，以3D增材制造为核心发展出多种材料累积成型技术，主要包括：选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、光固化立体印刷（SLA）、数字光处理（DLP）、融化压模（MEM）、分层实体制造（LOM）等[5]。3D打印的材料累积成型工艺受原材料状态的制约，对于粉末、片状、线状或是液态的原材料，对工艺的选用会有较大影响。

分析3D打印技术加工的材料种类，能发现同一类工艺可能加工处理多种不同的材料，相同类型的材料也能通过多种工艺加工成不同要求的产品[6]。当笔者试图从枪支制造等特殊需求角度对3D打印技术进行审视时，更倾向于由材料种类、性能和产品尺寸、结构方面对各种3D打印方法进行讨论。对于某些应用领域和材料构成较为特殊，如使用细胞作为原料的3D打印技术，本文将不作深入讨论，以下仅对以非生物体为原料的3D打印技术进行简介。

1.3D喷印（3DP）

3D喷印打印作为最初意义上的3D打印技术，以计算机辅助设计（CAD）和STL格式几何模型为基础，使用砂、石膏、水泥、金属、陶瓷、塑料等粉末原料，通过逐层打印，分层叠加，混合液体凝胶粘合成型的方式构造实体。冯鹏等人研究了使用石膏粉、水和树脂为原料的常见3D打印凝胶材料，形成的树脂增强石膏硬化体，利用抗压、抗折试验，对3D打印成型材料进行力学性能检验，明确其整体分层、层内分线的排布结构，在各向异性基础上建立了3D打印实体的力学模型。使用3D喷印方式，一般用于形成外形较为简单的实体，此类材料直接用于机械结构，是否能够满足力学性能要求有待进一步研究。

聂建华等人报道了合成羟基丙烯酸共聚树脂粉末并将其应用于3D打印的研究工作，使用水作为粘结剂，通过三维喷印的方式，制备具有一定柔韧性的产品[7]。使用聚合物颗粒喷射粘结制得的3D喷印产品内部颗粒不规则、堆积疏松、粘结强度低，表现为材料抗弯和抗压强度均不高，仅适用于对力学性能要求较低的场合。

2.熔融沉积成型（FDM）

熔融沉积成型将原料以熔融的液态从喷头挤出，按照设计的路径沉积凝固成型，经过逐层熔融沉积过程，得到立体的3D打印产品[8]。这类3D打印技术设备成本低，工艺相对简单，一般使用ABS、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等等热塑性高分子材料。熔融沉积成型3D打印的制成品成型过程简单，成本低廉，具备一定力学性能。即使对于熔融态温度要求较低的高分子原料，300℃左右的温度也会对尺寸精度造成一定影响，肖亮等人即对3D打印喷头和相连组件的温度影响进行分析和优化，使用聚酰亚胺粉末压模进行3D打印相关专利已有報道[9]。

齐乐华等人介绍了基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术分类，讨论此方法在成型过程中对尺寸精度、表面质量、内部质量等材料参数的影响因素，如分层厚度、扫描步距、熔融液滴温度、基板温度等[10]。使用金属原料的熔融沉积3D打印技术，可有效调节金属液滴尺寸、飞行速度，可以实现对成型产品的形状与内部结构控制，对于直接制造复杂机械零件有重要意义。铝、钢、铅锡合金等金属材料可熔融沉积成型已有报道，金属微滴喷射直接成型的铝材，内部晶粒尺寸均匀细小，抗拉强度与屈服强度均高于铸造铝材。使用低熔点熔融金属进行3D打印是熔融沉积模式中较为特殊的一类，通过特定种类的低熔点合金，在略高于常温的条件下实现固液相转换，能形成形状特定的电路板或电子元器件。由于低熔点金属本身的力学性能不高，这类技术主要用于制备电子功能材料。

3.光固化立体印刷（SLA）

利用光聚合反应制备材料早已有之，将用于触发聚合反应的光照条件进行区域、范围、顺序上的设计，使用计算机控制光束逐点扫描各个分层截面，能够实现以液态光敏树脂为原料，逐层固化聚合获得3D打印成型产品。通过光固化立体印刷制得的产品尺寸精确、力学强度高、性能稳定，是目前使用范围最广、适应性和通用性最强，加工精度最高的3D打印技术，结合CAD设计和成型工艺优化，能够用于高精度零件制造，利用紫外光进行光固化立体印刷工艺已经有相关专利报道[11]。

光固化立体印刷也被用于制造模具或辅助改良模具，连芩等人使用3D打印技术，制备聚乳酸（PLA）/β-磷酸三钙（β）生物陶瓷符合材料支架，将聚乳酸灌注到生物陶瓷管道中，在陶瓷烧结后形成具有特殊孔道结构的生物陶瓷。在光聚合过程中，陶瓷作为乳酸聚合的支架，形成有复杂结构的填充聚合物；在材料最终制备过程中，3D打印制备的聚乳酸起模具作用。

用于直接成型的光固化原料包括聚富马酸二羟丙酯、聚丙交酯、聚己内酯、聚碳酸酯等，在个性化需求与尺寸精度要求高的医用高分子材料领域，研究报道众多。由于光固化过程从液态原料中获得固体产品，对于液态原料成分细微调节能实现光固化产品成分的梯度变化，进而产生一系列具有梯度分布的物理、化学性质。在梯度功能材料的合成方面，田小永等人利用光固化树脂和介电常数变化的混合液体为原料，制作了能实现调控入射电磁波传播方向的电磁波元器件梯度功能材料[12]。荷兰研究者报道了使用

3D打印制备具有梯度结构和特定外形的覆银滤光镜的技术，用于将更多的光能汇集在太阳能电池膜上，推动太阳能电池的性能提升[13]。

无论骨骼修复材料，或是形成零件模具，均具备一定的力学性能。对于依靠化学键连接形成的光固化立体印刷3D打印材料，其力学性能较其他类型3D打印材料有一定优势。若光固化3D打印材料的组分的梯度不用于产生渐变的功能材料，而是用于强化特定方向的力学性能，则完全可能制造出性能优于组分相同而成分均一的机械零部件。

4.选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结基于离散堆积制造原理，将零件模型文件沿着Z轴方向分层，储存零件的截面信息，利用激光加热作用，将固态粉末材料逐点逐层熔融粘结，最终形成零件模型或零件。与熔融堆积成型相比，选择性激光烧结能够产生更高的加工温度，而不会受限于喷嘴和相关控制机构的温度承受能力，因此能够对高分子、陶瓷、金属粉末等多种原料进行加工，且加工速度快。选择性激光烧结虽然也能生产力学性能较好的产品，但其表面粗糙需后续加工，尺寸和材质均匀程度不及光固化立体印刷，而且在激光烧结过程中会产生粉尘与气体污染。

史玉升等人报道了用于选择性激光烧结的高分子复合材料制备方法，介绍了结晶型与非结晶型高分子材料在选择性激光烧结过程中的差异，并提出高分子纳米复合材料用于3D打印的研究前景[14]。

二、3D打印技术与枪械制造

1.3D打印与枪械制造能力

对于国内外科研机构、高校和公共图书馆，3D打印技术应用于教学与科研已是大势所趋，这就意味着这一技术将迅速为公众和受教育者所周知[15]。至2013年4月，国内3D打印已有1 600件以上的公开专利申请，集中在发明专利，说明3D打印已进入快速增长期，虽然以技术研究为主，产业化发展程度尚不高，但表明3D打印技术的研究发展热度。然而，3D打印不仅可用于设计方案、制造装配检验、样品制造与性能测试、实体可视化、个性化定制等前期开发工作，且能进行模具与零件的快速小批量工业制造，这就使枪械制造过程有可能通过民用设备使用3D打印的方式完成。

3D打印目前已经开始用于多种飞机零部件的制造，其中包括机翼等关键部件也在研发过程中[16]，这表明，3D打印材料的力学性能能满足枪械关键部件的需要。

一般来说，3D喷印类方法制备的工件难以适应枪支对力学性能的要求，而文中介绍的其他3种3D打印方式均能满足。在以下介绍的枪械制造实例中，熔融沉积成型与选择性激光烧结报道较多，光固化方法较少出现。据推测，部分原因在于光固化制备与熔融沉积成型均使用高分子为主要材料，而制备成本高于熔融沉积成型。

2.3D打印枪械现状

3D打印技术的快速发展，使得枪械爱好者与制造商开始尝试在枪械制造中使用该技术。2013年5月，世界首支3D打印枪支由Defense Distributed公司使用熔融沉积成型的3D打印技术，通过ABS工程塑料制造而成[17]。虽然在学术刊物上，3D打印枪械在严肃的科研报道中仅被零星提及，但公开网络媒体已经大量报道3D打印枪械的制造案例，各种3D打印枪支图纸也大量出现。

3D打印枪械分为全部3D打印与部分3D打印，全部3D打印制造的枪械，除击针等少数部件使用普通制成材料，各个零部件均由3D打印材料构成；而在部分3D打印的报道中，形状的机匣、弹匣以及内部机件通过3D打印制备，实现与普通枪械相应零部件的尺寸互换与功能替代。

3D打印枪支从3D打印枪支零部件起步，最初是为了降低部分结构复杂的机件的制造成本，如机匣、弹匣等部位。使用高分子材料3D打印的枪支零部件，一般仍需要与金属枪管等部件組装，才能实现枪支性能。目前，通过熔融沉积成型技术打印的ABS机匣，已经能够用于AR系列突击步枪上，并正常发射1000发以上；类似制造工艺的弹匣，在格洛克手枪上也得到使用；扳机、连杆、定位销等机件目前也均能通过3D打印技术进行制造，上述机件不需要在射击过程中承受冲击力，因此塑料材质能满足需求。枪支制造者将3D打印技术与数控机床结合起来，综合使用工程塑料与金属材料，即能够完成枪支大部分零部件的制造，并拼装出完整枪支。

芬兰技术人员在测试中发现，使用ABS材料制造解放者型手枪的枪管，在一次射击后，枪管就会发生炸裂，枪支不仅损坏，而且对持枪者带来安全威胁；而如果将枪管材料更换为环氧树脂，则能显著提升其耐用性。

为了解决3D打印聚乳酸或ABS枪支低效能的问题，基于新西兰的MarkForged公司开发的能够打印碳纤维复合材料的3D打印机，碳纤维材料被用于3D打印枪支制造，能够获得ABS材料20倍刚度和5倍强度。美国枪支制造者使用不锈钢管充当3D打印塑料枪支的内管，使枪支寿命大为提升。

随着技术进步，金属材料质地的3D打印枪支开始出现，相比熔融沉积成型，选择性激光烧结更适合金属材料的3D打印。最初的尝试始于3D打印金属枪支零部件，如消音器、消焰器等较复杂结构等，目前这些金属零部件已应用于5.56mm口径步枪。2013年11月，Solid Concepts公司使用粉末金属通过选择性激光烧结工艺，仿柯尔特1911，制造了世界上首支3D打印金属枪支，全枪由不锈钢和镍合金制成，护板使用碳纤维尼龙复合材料[18]。这类全金属3D打印枪支造价昂贵，最初接近100万美元，成本远超过聚合物打印的枪支。

3.3D打印枪械制造对公共安全的影响

2013年，Defence Distributed公司获得美国联邦政府发放的3D打印枪支的制造和销售执照，到2014年初，该公司已接到价值百万美元的3D打印枪支订单。

由于3D打印技术的普遍易传播，对于无执照的3D打印枪支，2013年以来，各发达国家公共安全机构先后开始筹划对策。英国国家犯罪调查局已开始研究3D打印枪支带来的安全威胁，曼彻斯特等地方警察机构也正在关注3D打印枪支零部件问题。美国国会通过法案，纽约、费城、加州、佛罗里达州等地通过地方法案，禁止或以不同方式限制3D打印技术在枪支制造中的应用。澳大利亚新南威尔士州、昆士兰州警方正在推动立法，规定持有3D打印枪支需特别执照，禁止在互联网上传播3D打印枪支图纸。2014年，在枪支管理严格的日本，警方首次在刑事案件中发现嫌疑人在家中使用3D打印机非法制造转轮手枪等枪支。

3D打印企业设计开发了用于3D打印机软件的内置枪支零部件技术特征检测程序，包括特殊内径圆筒、击针与特定弹簧形状等的自动检测，一旦待打印制造物与这些特征有重合之处，将自动停止3D打印操作，以防止枪支关键零部件的制造。运输企业对于可能用于制造枪支的3D打印装置表示承运投递方面的担忧。

四、结语

枪械的3D打印一经提出，就成为 3D打印的发展热点。3D打印技术的日新月异，以最典型的方式展现了新技术的发展对公共安全领域的影响。面对广泛传播且成本不断降低的新制造技术，一方面通过立法与管理对3D打印枪支进行引导和规范，另一方面应当跟踪最新3D打印技术及其在枪支制造上的应用现状，以期从容面对可能出现的枪支管制、持枪犯罪、涉枪诉讼和物证分析情况。

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