3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?

日期:2019-06-14 20:29:46   来源:互联网   编辑:小狐   阅读人数:18
专门介绍轻武器的权威军事刊物!2013年5月4日,一个平淡无奇的炎热下午,在美国得克州奥斯汀市一处乡间私人靶场中,传出了一声枪响。这一枪绝非平淡无奇,甚至将来有可能载入史册,因为它标志着世界上第一支全

专门介绍轻武器的权威军事刊物!

2013年5月4日,一个平淡无奇的炎热下午,在美国得克州奥斯汀市一处乡间私人靶场中,传出了一声枪响。这一枪绝非平淡无奇,甚至将来有可能载入史册,因为它标志着世界上第一支全3D打印手枪正式试射成功。

这次试射手枪的全部16个零件中,除击针外全部为塑料材质,而且均由“3D打印机”制作完成。

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“无所不能”的3D打印

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在讨论3D打印枪之前,首先有必要来了解一些有关3D打印技术的基本知识。

3D打印是近年来全球制造业领域内迅速发展起来的一项新兴技术,被认为是引领新一轮“工业”的数字化制造关键工艺之一。运用这一技术进行生产时,先通过计算机设计出立体的产品样式即“建模”通过俗称“3D打印机”的专用定型设备,以液化、粉末化、丝化的固体材料,通过涂覆、烧结等方式,来逐层“打印”出产品。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图1)

3D打印最独特之处,在于它是“增材制造”Additive Manufacturing的主要实现形式。传统的产品成型技术,均为“去除制造”即在整块原材料基础上,使用切割、磨削、腐蚀、熔融等方式,去除多余部分而得到所需产品,有的还要以拼装、焊接等方法再行组合,才能得到最终产品,既便最先进的数控机床CNC也是如此。而“增材制造”与之截然相反,通过计算机的帮助,将任意形状产品的立体设计分解为一系列二维平面的组合,通过以专用设备逐层“叠加”材料的方式直接生成最终产品,而无须其他工序,因此制造时间只有传统工艺的1/10,费用减少到1/3以下。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图2)

上海某公司利用国外3D打印设备制造的遥控器零件。在制造类似的细碎零件方面,3D打印技术占有相当优势

3D打印的发展融合了多个学科领域的尖端技术,重点是信息技术、精密机械技术和材料科学。其中,信息技术主要是制作产品的三维数字模型,使“3D打印机”能够自动分析打印工序,控制打印器材的运动;精密机械技术着眼于提高“3D打印机”的精准程度和稳定性;材料科学重在研究适用于3D打印的特殊材料,包括塑料、金属和陶瓷,既要能液化、粉末化或丝化,在打印过程中又能够重新结合,并且成品具有合格的物理、化学性质。

3D打印的应用领域主要是工业设计制造,比如概念设计、原型制作、模具设计和功能验证等等。假设要为某种新枪设计塑料护手,虽然运用CNC技术,不需要先加工毛坯,直接设计出3D图纸,就可以制出模具,用模具注塑出样品,而“3D打印机”更加直接,从图纸到实物之间只需一步,无需制模过程,设计程序得以大幅度简化。而且3D打印特别适合生产形状复杂、尺寸细微、性能特殊或小批量的产品,因此在航空航天、国防军工领域特别是某些零件数量多、性能要求高、需要反复的产品上多有应用。3D打印除了有速度上的优势外,一些特殊形状产品可以直接加工而不必考虑装配工艺,有利于简化产品设计,攻克一些原本无法回避的技术难关。

美国是3D打印技术的发源地,也是相关技术最为先进发达的国度,在陆、海、空武器装备研发甚至实战中早已广泛应用,为战时后勤保障带来了性的变化。特别是美国陆军在阿富汗实施“扩展3D打印行动”2013年1月已部署两个移动试验室,每个试验室所用的原型设计设备、“3D打印机”和相关工具只需一个集装箱便能装下,可以在野战条件下现场快速制造所需配件。美军计划通过这种做法,有效增强单兵作战、战区巡逻以及前线小型基地的自我保障能力。不过,此前3D打印技术的军事应用大多停留在辅助设计制造和装备保养维修层面,2013年的奥斯汀试验中直接利用其打印可以发射实弹的塑料,确实是辟地头一回。

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3D打印的前期尝试

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威尔逊第一次广为世人所知,是在2012年底。当时很多媒体报道称,他用“3D打印机”制造出一支5.56mm口径的AR15自动步枪,并成功进行了射击试验。但实际上,这次试验并非像媒体所渲染的那样神奇,因为枪上真正用“3D打印机”制造的部件只有下机匣和弹匣。从事后公开的和图片来看,试验中使用的显然都是用零部件自行组装的民用版AR系步枪,除了3D打印出来的那些外观呈白色的塑料件外,其他均是在武器市场上能够购买到的成品部件。AR系步枪的特点之一就是大量采用铝合金部件,下机匣是其中之一,由铝合金毛坯经铣削加工而成。这一部分用于连接枪托和容纳发射机构,所起作用十分重要,但在发射过程中却不直接接触高温高压的火药燃气,也不用承担主要的后坐力,所以即使是“3D打印机”制造的塑料下机匣,只要尺寸合规,是能够勉强行使其原有功能的,只是机械性能远不及原配的铝合金产品。威尔逊的作品发射到第6发弹时就出现了3处破裂,正式“寿终正寝”经过改进后,这种下机匣耐受实弹发射的最高纪录也只是11发。虽然这一领域内的另一位领军人物,曾在网上独家发布过多项3D打印制作技术的迈克尔•古斯林克声称,装有他制作的3D打印下机匣的AR15步枪成功发射了100发枪弹,但这连铝合金机匣通常寿命零头的1/10都不到。当然,与下机匣相比,“3D打印机”生产的弹匣实用性要强一些,但其所用的普通塑料材质相对脆弱,寿命和可靠性也都无法与正规的聚合物弹匣相提并论。

其实近年来,在军用轻武器上已经出现了许多由合成材料制造的部件,包括下机匣这样的重要部件,但不论此类部件比例多大,枪管、自动机等关键部位仍旧都是金属材质的。所以,所谓“3D打印出来的步枪部件能承受正常射击”只是媒体以偏概全的一个噱头而已。再者,作为一支自动步枪来说,虽然下机匣很重要,但枪管、自动机和上机匣更加重要。也正因为如此,科迪•威尔逊将下一步的目标锁定在制造一支功能完整的全3D打印上。

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新“解放者”的和试验

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这项工作开始于2012年10月,但至少此前4个月,威尔逊已经开始着手思考“3D打印个人防卫”的相关方案。为制造方便和安全起见,他决定一款单发射击的简易手枪,并将这一设计称作“解放者”Liberator这个名称是用于纪念二战期间美国的一种发射0.45英寸ACP手枪弹的廉价单发手枪,盟军曾向在敌后活动的抵抗组织大批空投这种武器。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图3)

世界上第一支能够发射实弹的3D打印手枪—新“解放者”

虽然名称一样,都采用翻转击锤击发原理,枪弹也要手工装填,但两者还是有很大不同。历史上的“解放者”是全金属的,大量采用钢板冲压和焊接技术,只有枪管等极少量零件需要机加工。而新“解放者”几乎全部由ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)塑料制成,是一种常见的用途广泛的热塑性工程塑料。考虑到材料的特殊性,威尔逊的新枪结构与老“解放者”差异很大,特别是枪管可以从枪身上拆下,装入枪弹后再重新固定在枪身上,其整体结构和后半部分的外形,非常类似老式的撅开式信号枪。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图4)

新“解放者”的枪身依靠3D建模软件设计,直接由“3D打印机”打印完成,较通常的制造方法简单许多

新“解放者”的原型产品共有16个零部件,包括握把、枪身、击锤、击锤簧、击锤座、扳机、扳机簧、击针、枪管和若干销子。其中握把最为简单,仅起到连接枪身、方便握持的作用。枪身侧面略呈三角形,带有一体成型的扳机护圈,主要用于容纳击锤、扳机组件和固定枪管,相关零部件都是通过3根主要的销子固定在枪身上的。枪管的形状最为特殊,特别是长度极短,以发射0.380英寸ACP手枪弹的型号来说,全枪长不到40mm,除去弹膛部分枪管长只有10多毫米,但最大直径却超过了35mm,而且枪管内部没有膛线,实际上只能起到为弹头导向的作用,这主要是考虑到ABS塑料承受高压的能力极为有限,弹头飞出后弹膛需要尽快减压,所以枪管必须做得短而粗。枪管末端有一圈扩大的锥体部分,用来和“T”形凸笋共同配合,将枪管固定在枪身前端的半圆形凹槽中。根据“分布式防御”组织的试验结果,如果将这种ABS塑料枪管安放在传统的金属枪身上,可以成功进行10次实弹射击,直至第11发时才损坏。之前有报道称该枪“可以使用标准手枪弹匣,并支持不同口径的枪弹”多半是误译,因为这种单发枪并没有弹匣,装填枪弹和排除空弹壳都要手工操作,但支持不同口径的确是真的,只要更换弹膛尺寸不同的枪管就可以轻松做到这一点。由于ABS塑料缺乏弹性,所以这支武器的扳机簧和击锤簧不仅形状特殊,其体型较其用途来说也显得特别大,而且击锤簧采用了双涡卷簧的设计,就是为了保证有足够的弹力。出于同样的考虑,枪上其他部件尺寸也较金属材质的同类零件要宽厚许多,以尽量保证发射时的安全。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图5)

科迪·威尔逊和他研究3D打印的工作室

这些塑料部件都是威尔逊用8 000美元买来的一台二手Dimension SST“3D打印机”制造出来的。这台设备是Stratasys公司的产品,它和3Dsystems公司一样,都是占据3D打印产业主导地位的美国企业。整个新“解放者”上唯一的非3D打印部件是击针,同时也是全枪独一无二的金属材质部件,其实它只是一根在随便哪个五金店里都能买到的钢钉。但如果需要的话,这个部件也可以是塑料的,并且同样可以用3D打印的方法制造。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图6)

占据3D打印设备制造业主导地位的美国Stratasys公司的标志,新“解放者”即是用该公司生产的设备制造的

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图7)

ABS塑料粒子。这种塑料是世界上最常用的五大合成树脂之一,新“解放者”包括枪管在内,几乎全部是使用这种塑料制造的

为了确保安全,新“解放者”装入一颗标准的0.380英寸ACP手枪弹后,被安置在铝制支架上,扳机上拴了一根6米多长的绳子,威尔逊的一名工程师朋友拉动了绳子—枪响了,弹头钻入灌木丛中。拆下枪管后,没有发现明显的损坏。但紧接着的第二次发射却出现了哑火现象,检查后发现原因是击锤座在前次发射时因挤压发生了变形,导致击针未能对准底火。在接下来的试射中,威尔逊替换了一根枪管,尝试发射威力更大的5.7×28mm枪弹,后者近年来在美国被多种自卫武器所使用。不过,数小时前才打印完毕的塑料枪管这次再也承受不住压力,发生了膛炸,白色的枪身被炸得四分五裂,碎片飞得到处都是。初次试射被迫就此结束。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图8)

“分布式防御”组织的3D打印AR步枪下机匣,外观显然比较粗糙

两天之后,全球首支3D打印手枪的照片发布在《福布斯》杂志网站上,并引发了强烈反响。不过,威尔逊没有时间对此做出反应,他忙着修改设计图,调整击针的尺寸和位置,并重新打印了枪管、击锤以及枪身等部件。因为威尔逊对前一次试验的结果并不满意,认为只取得了相对成功,他想在数字模型文件最终上传到“分布式防御”网站之前解决所有问题,因此决定用直接手持射击的方式来再次证明3D打印武器的可靠性。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图9)

3D打印下机匣安装在AR步枪上在靶场进行实弹射击(上)以及断裂后的状态(下)

5月4日下午,威尔逊回到了他上次试射新枪的靶场。这次随行的是他的父亲丹尼斯·威尔逊。同上次一样,威尔逊打开带来的箱子,拿出打印好的各个部件,将它们组装起来,装入枪弹,戴好耳塞,接下来深吸气—瞄准前方—扣动扳机—呼气,动作非常连贯。枪声响过,自己的手和新“解放者”都完好无损,这时威尔逊才放松下来,开始检查手枪,发现除了一根销子断裂以外,没有其他的损坏迹象。随后,威尔逊终于说出了他的第一句话:“嗯,还需要再进行一些修改。”

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图10)

3D打印的AR步枪用30发弹匣(上)以及威尔逊将其装在步枪上进行试验时的场景(下)显然它的寿命比3D打印下机匣要长一些,但外观和质量还不能与传统方法制造的同类产品相比

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图11)

威尔逊在奥斯汀靶场中以手持方式试射新“解放者”

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必须提前寻求有效约束

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任何科学技术的进步都带有双面性,比如沙林,初始目的只是想获得一种新型农用杀虫剂,结果却找到了一种可怕的神经性毒剂,而硝化甘油在有效缓解心绞痛的同时还是最危险的品,上世纪80年代就已经出现的3D打印技术也是如此。新技术究竟是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”关键看我们如何去运用和。

3D打印枪支,是“潘多拉魔盒”还是“阿里巴巴宝窟”?(图12)

0.380英寸ACP口径新“解放者”分解图。全枪包括作为击针的钢钉在内,只有16个零件

本刊将陆续刊登三土先生发表在《轻兵器》上的作品,及他新近创作的作品,最终形成一个成的专栏,方便大家收藏查阅,敬请期待。

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打印

通常指把电脑或其他电子设备中的文字或图片等可见数据,通过打印机等输出在纸张等记录物上。

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