3D打印馬氏鋼如何扛住穿甲彈和爆炸碎片？

AM易道分享

一輛裝甲車在路上行進(jìn)，側(cè)面突然挨了一發(fā)7.62毫米穿甲彈。

彈頭的硬芯又重又尖，專門用來(lái)撕開鋼板。
按常理，擋住它的辦法只有一個(gè)，把裝甲做得更厚、鋼煉得更硬。
可如果關(guān)注3D打印的讀者炫耀稱能把這發(fā)彈攔下來(lái)的，是一塊被掏的中間全是窟窿的鋼板（3D打印鏤空結(jié)構(gòu)），而旁邊那塊沉甸甸的實(shí)心鋼反倒被一穿到底，你大概會(huì)覺(jué)得他在吹牛。

并沒(méi)有吹牛。

這正是金屬3D打印這幾年在裝甲應(yīng)用領(lǐng)域蹚出來(lái)的一條新路子。

馬氏鋼，用內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)營(yíng)造出的這種看上去掏空了的結(jié)構(gòu)反而更扛打。

因?yàn)楸绕鹩部箓Γ湮漳芰啃Ч鼉?yōu)。

上圖用馬氏鋼3D打印出來(lái)的鏤空試件，整塊只有巴掌大；右側(cè)是壁結(jié)構(gòu)的微距特寫

這個(gè)反直覺(jué)的結(jié)果，來(lái)自2025年6月發(fā)在《International Journal of Impact Engineering》上的一篇論文。

波蘭軍事技術(shù)大學(xué)和德國(guó)Fraunhofer EMI合作，項(xiàng)目叫AMALIA，全稱是面向輕量化裝甲的金屬負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)與材料增材制造，由歐洲防務(wù)局EDA出資。

回答馬氏鋼怎么靠一個(gè)形狀同時(shí)扛住穿甲彈和爆炸沖擊？我們通過(guò)這篇論文來(lái)簡(jiǎn)單拆解。

實(shí)心馬氏鋼弱在哪？

要理解這篇為什么重要，得先知道這個(gè)團(tuán)隊(duì)2021年踩過(guò)的坑。

那年他們測(cè)過(guò)實(shí)心的M300鋼板。

結(jié)論是熱處理后對(duì)子彈的減速能力漲了近九成，聽著很猛，但板子還是被擊穿了，而且因?yàn)椴牧献兇啵泻笏榈酶鼌柡Α?/p>

問(wèn)題的核心是，想讓鋼更硬更強(qiáng)，它就更脆；

越脆，擋子彈時(shí)就越容易整塊崩碎，而不是穩(wěn)穩(wěn)地兜住。

再加上打印件內(nèi)部難免有些微小孔隙，裂紋順著孔隙一路擴(kuò)散，碎得就更快。

那篇論文的結(jié)論是實(shí)心板這條道有明確上限，而3D打印馬氏鋼真正的用武之地是復(fù)雜形狀，通過(guò)復(fù)雜形狀（比如負(fù)泊松比的吸能結(jié)構(gòu)）就有了全新的3D打印研究領(lǐng)域。

正是增材輕量化防護(hù)裝甲。

3D打印不堆硬度，堆結(jié)構(gòu)

新論文的核心思路不跟材料的硬脆蹺蹺板較勁，轉(zhuǎn)去用結(jié)構(gòu)主動(dòng)逼彈芯碎裂。

他們一口氣設(shè)計(jì)了八種鏤空結(jié)構(gòu)，全是那種受力時(shí)往里收、而不是往外脹的特殊幾何（負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)）。

形狀各異，有的像十字花瓣，有的像層層疊疊的雙箭頭，有的像沙漏，有的像內(nèi)凹的六邊形和星形。

直覺(jué)上這些花里胡哨的鏤空，看著比實(shí)心板脆弱得多，可恰恰是這些窟窿和斜壁，成了對(duì)付穿甲彈的關(guān)鍵。

上圖是研究測(cè)試的八種負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，幾何各不相同，每一種都對(duì)應(yīng)一套不同的彈芯破壞方式

穿甲這頭也升了級(jí)，2021年的研究用的是5.56毫米彈、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的入門檔。

2025年直接上7.62毫米穿甲彈，對(duì)標(biāo)更高的二級(jí)甚至三級(jí)，難度高了一截。

經(jīng)常玩FPS游戲的讀者應(yīng)該知道5.56和7.62mm對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。

他們的研究采用仿真和實(shí)測(cè)結(jié)合。

先用真彈把幾種實(shí)物打穿、打停，記下數(shù)據(jù)，再在電腦里建模，確認(rèn)算出來(lái)的和打出來(lái)的對(duì)得上，然后才用模型去把八種結(jié)構(gòu)一個(gè)個(gè)跑一遍。

省了實(shí)彈成本，又能把每種形狀的表現(xiàn)摸清楚。

三種讓彈芯碎掉的方式是關(guān)鍵

AM易道認(rèn)為論文最值錢的部分，是看清了各種3D打印鏤空結(jié)構(gòu)到底怎么把彈芯弄廢的，一共三種方式。

這是用每秒上萬(wàn)幀的高速相機(jī)配上仿真，一幀一幀摳出來(lái)的。

先貼出來(lái)：

相當(dāng)有趣的組圖，從上到下，彈尖被磨鈍、彈芯被縱向劈裂、彈芯被彎折剪斷；

最下一行是實(shí)心板，彈芯幾乎沒(méi)變形，反差一目了然。

左側(cè)曲線是子彈速度一點(diǎn)點(diǎn)歸零的過(guò)程。

再看圖詳細(xì)拆解下：

把彈尖磨鈍，彈丸鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)，那些豎著排列的壁靠自身變形、彎折，一點(diǎn)點(diǎn)給彈減速，順便把尖銳的彈尖磨平。

尖的彈好穿，鈍的彈就難穿。

第二是把彈芯縱向劈開。

從彈尖變形開始，最后整根彈芯順著軸線裂開、徹底停住。

還有一種關(guān)鍵的把彈芯彎折剪斷。

這是主力打法。

因?yàn)殓U空結(jié)構(gòu)本身高低不平、受力不均，彈芯穿過(guò)去的時(shí)候一會(huì)兒被彎、一會(huì)兒被剪、一會(huì)兒被拉，幾下就被掰斷了，失去了往前鉆的能力。

而看同樣一發(fā)彈打在實(shí)心板上，彈芯幾乎不變形，硬生生靠厚度頂住，這正是實(shí)心板的笨辦法。

而鏤空結(jié)構(gòu)是智取，讓彈自己折斷。

這三種方式靠的都是只有3D打印才做得出的復(fù)雜幾何，軋出來(lái)的鋼板根本沒(méi)法在內(nèi)部排布這種斜壁和窟窿。

實(shí)彈測(cè)試真擋得住

這張圖更是經(jīng)典，其中一種鏤空結(jié)構(gòu)，他們真打印出來(lái)、真用穿甲彈打了。

上排是電腦仿真，下排是真彈打完的實(shí)物剖開，紅圈里都是斷成兩截的彈芯，仿真和實(shí)測(cè)對(duì)得上。

至于哪幾種形狀最能打，研究結(jié)果也比較清晰。

八種里有兩種表現(xiàn)，換三個(gè)不同位置打都能把彈擋下，一發(fā)沒(méi)穿；

還有一兩種表現(xiàn)也不錯(cuò)，下圖很長(zhǎng)，不同結(jié)構(gòu)信息量很大。

但論文很誠(chéng)實(shí)地點(diǎn)了代價(jià)，這幾種最能擋的結(jié)構(gòu)，比同樣防護(hù)力的實(shí)心板要重一些。

換句話說(shuō)，增材防護(hù)裝甲吸能沒(méi)問(wèn)題但輕量化這事還沒(méi)有落實(shí)。

進(jìn)一步研究的內(nèi)容就是給最能打的結(jié)構(gòu)做減重優(yōu)化。

3D打印的能與不能？
裝甲的設(shè)計(jì)變量正在從選什么材料，往設(shè)計(jì)什么形狀上挪。
但目前3D打印吸能結(jié)構(gòu)擋得住但偏重，誰(shuí)能把防護(hù)和減重兼得，將吃到市場(chǎng)的紅利。
這也是為什么歐洲防務(wù)局愿意為這個(gè)方向掏錢研究，它壓注的是更輕的裝甲防住更猛的子彈或爆炸。

金屬3D打印做防務(wù)，已經(jīng)從矛和盾兩端同時(shí)介入了。

從更新的材料，到用3D打印結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制破壞與被破壞，越來(lái)越有趣。

未來(lái)能走多遠(yuǎn)？

讓穿甲彈自己折斷的，從這個(gè)3D打印應(yīng)用角度來(lái)看，是結(jié)構(gòu)對(duì)能量的重新分配。

這個(gè)邏輯一旦成立，能延伸的方向就不止擋子彈。

同樣一套思路，往輕里做是單兵防彈插板、頭盔、無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵部位防護(hù)，往大里做是車輛底盤的抗爆夾層。

用幾何結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制材料如何崩壞的能力，對(duì)任何需要在極限沖擊下吸能、緩沖、定向失效的場(chǎng)景都成立，從各類撞擊防護(hù)到高速設(shè)備的安全結(jié)構(gòu)都有對(duì)應(yīng)研究和應(yīng)用。

我們很多文章反復(fù)在扯的是3D打印稀缺性在于做出別人做不出來(lái)的形狀，再用這個(gè)形狀去實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝給不了的功能。

除了研發(fā)新材料之外，當(dāng)形狀本身變成了性能的來(lái)源，工程師可以為一個(gè)具體的目標(biāo)去設(shè)計(jì)一個(gè)新結(jié)構(gòu)。

而能把復(fù)雜形狀一次成型變成現(xiàn)實(shí)的，目前主要手段就是增材制造。

回到最初的問(wèn)題，3D打印馬氏鋼怎么扛住穿甲彈和爆炸？

一塊3D打印鏤空鋼，比一塊實(shí)心鋼更扛打。

決定勝負(fù)的，正是3D打印重新構(gòu)想結(jié)構(gòu)的自由。