前言

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(Lattice structures)是一類(lèi)由基本幾何胞元周期性排列、通過(guò)組成胞元的桿元相互連接構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高比吸能、抗沖擊，減震降噪等特性，在航空航天、生物 醫(yī)學(xué)、建筑工程及先進(jìn)制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng) 用前景[1-3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺度的不同，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)通常可 劃分為精密點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。前者 主要指微米至毫米量級(jí)的小尺寸結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于 功能性微結(jié)構(gòu)器件與個(gè)性化植入體的制造；而后者 則涉及厘米至米甚至千米級(jí)的中大型結(jié)構(gòu)，大型點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)正逐步在大型裝備減重、吸能構(gòu)件設(shè)計(jì)及多 功能復(fù)合結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)等方面展現(xiàn)出巨大潛力，如圖1所示。研究表明，采用等體積的鋼點(diǎn)陣夾芯板材替 代傳統(tǒng)的實(shí)體板材，其重量可減輕30%，同時(shí)兼具 減震降噪等功能特性，在大型船舶輕量化設(shè)計(jì)與制 造方面有廣闊應(yīng)用前景。

然而，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造方法與技術(shù)一直是制約點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的重要難點(diǎn)。由于高孔隙率以及 空間復(fù)雜的幾何約束，目前面向點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造方法主要可分為：以沖壓折疊法、熔模鑄造法等為代 表的傳統(tǒng)制造方法和以“材料堆積成形”為特點(diǎn)的 增材制造方法。

熔模鑄造法是能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)/夾芯結(jié)構(gòu)一體化成形的傳統(tǒng)制造方法。早期DESHPANDE和WADLEY等[4]通過(guò)該工藝來(lái)制備金屬點(diǎn)陣，并且成 功制備出鋁合金八面體胞元構(gòu)型。該方法利用典型 鑄造工藝，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)澆筑模具，然后 進(jìn)行點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的一體化鑄造成形[5]。但是，熔 模鑄造的制造流程存在一定安全隱患，且制造流程 相對(duì)繁瑣，對(duì)于特定的點(diǎn)陣構(gòu)型需要單獨(dú)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 模具，制造效率較低。沖壓折疊法也是一種傳統(tǒng)的 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造方法，其原理是首先需要用特定形狀 的模具在板材上進(jìn)行沖壓，在板材表面獲得特定的 平面二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[6]。然后通過(guò)后續(xù)模具對(duì)二維網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖壓折疊獲得點(diǎn)陣芯層，制造過(guò)程自動(dòng) 化程度高且工序簡(jiǎn)單，加工周期較短。然而由于沖 壓過(guò)程導(dǎo)致大量原材料被去除和消耗，其整體材料 利用率比較低，增加了制造的成本。與之類(lèi)似，線 切割嵌鎖法[7]，金屬絲編織法[8]，電火花切割法[9]等傳統(tǒng)制造方法目前均可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造， 但總體存在制造周期長(zhǎng)，制造效率低，制造成本高 等局限。

增材制造(Additive manufacturing，AM)，即3D打印技術(shù)，是近年來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)的代表之一。該 技術(shù)基于“離散+堆積”原理，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)制造一體化，與傳統(tǒng)點(diǎn)陣制造方法相比，具備“材 料堆積成形”的制造特點(diǎn)，尤其適合制造具備空間 復(fù)雜構(gòu)型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。增材制造方法目前已經(jīng)成功 應(yīng)用于合金鋼、鈦合金、鋁合金等多種常見(jiàn)金屬材 料點(diǎn)陣的制備[10]。根據(jù)原材料的形式，可以將金屬 點(diǎn)陣的增材制造方法分為兩類(lèi)：鋪粉式增材制造和 熔絲式增材制造。根據(jù)熱源的能量不同，可以將增 材制造方法主要分為高能束增材制造(以激光、電子 束為熱源)和電弧增材制造[10]。

以激光為熱源的粉末床熔融增材制造技術(shù)(Laser powder bed fusion，LPBF)是當(dāng)前制備精密微 小尺寸點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的常用技術(shù)。該技術(shù)憑借其卓越的成形精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力以及高材料利用率等 優(yōu)點(diǎn)，在精密點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備中得到了廣泛應(yīng)用。 精密點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于其輕量化、能量吸收、比表面積 大和多功能集成等特性，廣泛用于航空航天、生物 醫(yī)療及工程結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域[11]。航空航天工業(yè)借助LPBF點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)勢(shì)用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu) 件和火箭零部件；醫(yī)療領(lǐng)域則用于定制化骨科植 入物與牙科支架；汽車(chē)行業(yè)則在能源吸收、熱管 理部件中大量采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。此外，新興的微結(jié) 構(gòu)器件和功能梯度材料設(shè)計(jì)，也展示了LPBF制 造點(diǎn)陣在微尺度加工方面的潛力。然而，LPBF設(shè)備的成形尺寸通常受限于構(gòu)建腔體的物理限 制，其制造效率和構(gòu)件尺寸在面對(duì)大型或超大型 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí)受到制約。另外，由于設(shè)備成本，粉 末原材料成本等原因，大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)整體制造成 本較高，無(wú)法滿足大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)高生產(chǎn)效率與 成本控制的需求。

為克服這一限制，近年來(lái)，電弧熔絲增材制 造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)逐漸 成為制備大尺寸甚至超大尺寸金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的有 力補(bǔ)充。WAAM是一種基于電弧熔化金屬絲逐層 堆積的增材技術(shù)，具有沉積效率高、設(shè)備成本低 和理論上可成形任意尺寸構(gòu)件等顯著優(yōu)勢(shì)。特別 是在制造大型點(diǎn)陣構(gòu)件時(shí)，WAAM可以在較短周 期內(nèi)完成結(jié)構(gòu)搭建，大幅提高制造效率，并降低 生產(chǎn)成 本。 通過(guò)工藝路 徑設(shè)計(jì) 與參 數(shù)優(yōu)化，WAAM同樣可以實(shí)現(xiàn)周期性、可調(diào)控的空間結(jié)構(gòu) 排列，從而形成具有力學(xué)和功能特性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 在應(yīng)用前景方面，WAAM制備的大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)適用于航空航天中的大型支撐構(gòu)件、軌道交通和海 洋工程中的大型輕質(zhì)承載結(jié)構(gòu)，以及需要個(gè)性化 設(shè)計(jì)的大型工業(yè)產(chǎn)品原型。

盡管WAAM相比LPBF在尺寸和成本上具備 明顯優(yōu)勢(shì)，但其在成形精度、表面質(zhì)量以及點(diǎn)陣 桿元細(xì)節(jié)精度控制方面仍存在不足，尤其是在微尺度點(diǎn)陣構(gòu)造方面難以達(dá) LPBF的加工精度，無(wú)法 保證點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)和性能一致性。因此，未來(lái)的大 型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造從高效化向高精度化發(fā)展是一個(gè)明顯的趨勢(shì)。對(duì)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)方法進(jìn)行 梳理和總結(jié)，進(jìn)一步發(fā)掘增材制造大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的 應(yīng)用潛力具有重要意義。

本文對(duì)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要 概述；并從制造工藝、裝備和應(yīng)用場(chǎng)景三個(gè)方面總 結(jié)了目前的相關(guān)研究成果；最后對(duì)增材制造大型點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1、大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造工藝

1.1電弧增材制造技術(shù)原理與分類(lèi)

電弧增材制造以電弧(或等離子弧)作為熱源,以 金屬絲作為原材料，在惰性氣體的保護(hù)環(huán)境中按照 預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行逐層沉積，直至形成所需零件。根 據(jù)熱源性質(zhì)的不同，電弧增材制造主要分為三種類(lèi) 型[12]：以熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Gas metal arc welding，GMA)為原理的WAAM-GMA，以鎢極惰 性氣體保護(hù)焊(Gas tungsten arc welding，GTA)為原 理的WAAM-GTA，以等離子電弧焊(Plasma arc welding，PA)為原理的WAAM-PA，如圖2所示。

WAAM-GTA的原理見(jiàn)圖2a，通過(guò)焊槍中的鎢極尖端放電，使基板和鎢極尖端之間產(chǎn)生電弧，金屬絲按照一定的送絲速度送入電弧區(qū)域后熔化成熔 滴，熔滴下落后凝固形成沉積層，隨著沉積過(guò)程的 進(jìn)行，焊槍沿著預(yù)定軌跡不斷進(jìn)行移動(dòng)，逐層堆疊 最終完成零件的制備。WAAM-GTA的特點(diǎn)是電弧 相對(duì)穩(wěn)定，側(cè)向送絲一定程度上能減少熔滴飛濺， 但其送絲模式可能會(huì)導(dǎo)致裝備出現(xiàn)幾何干涉。

WAAM-GMA的原理見(jiàn)圖2b，與WAAM-GTA不同，其電極既是熱源，又是成形所需材料，通過(guò) 金屬絲尖端與基板之間產(chǎn)生電弧，同時(shí)金屬絲以一 定的送絲速度向下移動(dòng)，與基板接觸形成熔滴，并過(guò)渡到基板上，隨著沉積過(guò)程的進(jìn)行，焊槍移動(dòng)導(dǎo) 致沉積層堆疊，最終完成制造過(guò)程。WAAM-GMA的特點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的熔滴飛濺現(xiàn)象，電弧穩(wěn)定 性較差。此外，為了減少焊接過(guò)程的熱輸入，降低 飛濺量，奧地利Fronius公司基于GMA的短路過(guò)渡過(guò)程開(kāi)發(fā)了目前廣泛應(yīng)用于焊接領(lǐng)域的冷金屬過(guò)渡(Cold metal transfer, CMT)工藝方法，其技術(shù)原理如 圖2c所示。與GMA原理類(lèi)似，絲材作為熔化極， 產(chǎn)生電弧并形成熔滴，熔滴與熔池接觸發(fā)生短路， 電弧熄滅，電流減小，CMT系統(tǒng)便控制金屬絲回抽 導(dǎo)致熔滴脫落，此時(shí)金屬絲回到初始位置，電弧重 新引燃，如此循環(huán)往復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)零件的制造[12]。

WAAM-PA的原理如圖2d所示，以等離子弧為 熱源熔化金屬絲材逐層沉積成形。與WAAM-GTA、WAAM-GMA相比，WAAM-PA具有能量密度高、 電弧集束性好以及熔池動(dòng)態(tài)行為穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。但該技術(shù)仍的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍較窄、壽命噴嘴短及熱 輸入較大等缺點(diǎn)。

由于電弧增材制造在制備大尺寸結(jié)構(gòu)件方面低 成本高效率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，電弧增材制造近年來(lái)在點(diǎn)陣制造領(lǐng)域逐漸成為熱點(diǎn)之一。

1.2大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造工藝方法

目前米級(jí)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的增材制造工藝主要集 中于WAAM-GMA, WAAM-CMT和WAAM -GTA三種工藝方法。根據(jù)制造后樣件的幾何特征進(jìn)行分 類(lèi)，主要有基于桿元-桿元相連接的桁架類(lèi)點(diǎn)陣結(jié) 構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)幾何構(gòu)型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(如金字塔構(gòu)型，四面 體構(gòu)型等)以及點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外主要研究團(tuán)隊(duì)與相應(yīng)的大型點(diǎn)陣研究成 果簡(jiǎn)述如表1所示。

表 1 國(guó)內(nèi)外大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造工藝方法、點(diǎn)陣類(lèi)型與研究重點(diǎn)

如表1所示，目前針對(duì)大型點(diǎn)陣的研究主要集中于冷金屬過(guò)渡熔化極電弧熔絲工藝(WAAM-CMT)。制造的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)渲饕蓷U 元構(gòu)成的類(lèi)桁架結(jié)構(gòu)。CMT工藝在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制 造方面應(yīng)用廣泛，主要的工藝特征是“息弧-冷卻 起弧-息弧”循環(huán)沉積工藝。如圖3所示。

法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)的RADEL等[13-14]采用WAAM- CMT方法制造了桁架類(lèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，利用計(jì) 算機(jī)輔助制造技術(shù)提出了一種逐點(diǎn)自動(dòng)制造復(fù)雜空 間桁架結(jié)構(gòu)的制造策略。該研究制造設(shè)備采用六自 由度的工業(yè)機(jī)器人，工作臺(tái)保持固定，能夠制造0°～90°的空間桿件，最終的桁架結(jié)構(gòu)與預(yù)設(shè)模型 符合度較高，如圖4a所示。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的YE等人聯(lián)合荷蘭MX3D，針對(duì)空間金屬桁架結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)了幾何優(yōu)化算法來(lái)確定優(yōu)化元素的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 同時(shí)進(jìn)行截面優(yōu)化以獲得符合WAAM約束的圓管 狀桿件截面，最后通過(guò)WAAM-GMA方法制造計(jì)算 得到的幾何模型[15]。如圖4b所示。荷蘭金屬電弧增材制造公司MX3D利用多軸焊接機(jī)器人，首次提 出通過(guò)WAAM-CMT方法制備空間網(wǎng)狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的 制造工藝，如圖4c所示。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院SILVESTRU等[19,38]面向建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中，采用CMT技術(shù) 將相鄰的兩個(gè)金屬桿元進(jìn)行增材連接，如圖4d所 示。其連接區(qū)域的形貌為電弧增材制造的金屬空間 桁架類(lèi)結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中采用熔滴逐點(diǎn)調(diào)控方法進(jìn)行 桿元制造，并針對(duì)焊槍在連接過(guò)程中的沉積路徑進(jìn) 行了優(yōu)化。意大利博洛尼亞大學(xué)的LAGHI等[16,39]在和MX3D的合作項(xiàng)目中探索了新型無(wú)支撐WAAM“dot-by-dot”技術(shù)制造不銹鋼網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)作為創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用在新概念建筑支 柱中。研究者基于材料性能、制造特性和建筑設(shè)計(jì) 等各個(gè)方面，通過(guò)多軸機(jī)器人在固定的金屬基板上 采用WAAM- CMT方法成功制造出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該結(jié) 構(gòu)為90°豎直桿件和80°傾斜桿件互相搭配而成， 如圖4e所示。

澳大利亞伍倫貢大學(xué)的增材制造研究團(tuán)隊(duì)[20-21]對(duì)空間桿件結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域進(jìn)行了探索，提出了針對(duì) 于骨架類(lèi)結(jié)構(gòu)的增材制造工藝，通過(guò)構(gòu)建熔滴參數(shù) 模型，優(yōu)化實(shí)際沉積路徑和成形工藝，實(shí)現(xiàn)了WAAM- CMT制造空間桿元，如圖5a所示。該團(tuán) 隊(duì)對(duì)于多角度桿件制造工藝與路徑策略方面也進(jìn)行 過(guò)相關(guān)研究，采用WAAM-CMT方法制備了30°～70°的傾斜金屬桿，并通過(guò)沉積策略實(shí)現(xiàn)了曲線型 桿件的制造，最后通過(guò)驗(yàn)證工藝可靠性制造了空間 的立方體結(jié)構(gòu)[22,23]，如圖5b所示。

桁架類(lèi)結(jié)構(gòu)作為點(diǎn)陣制造的前期研究基礎(chǔ)，主 要探索不同傾斜角度桿元的成形工藝，在此基礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn)了電弧增材制造大尺寸標(biāo)準(zhǔn)幾何點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，目 前主要以金字塔結(jié)構(gòu)為主，日本埼玉大學(xué)(圖6a)， 天津工業(yè)大學(xué)(圖6c)等研究者在金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制 造工藝方面進(jìn)行了初步嘗試。WAAM制造空間桿元 的研究為制造大尺寸點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)提供了基本研究策略 和制造工藝，面向金屬點(diǎn)陣的制造過(guò)程、成形機(jī)理 以及相關(guān)性能的研究是現(xiàn)階段增材制造領(lǐng)域的熱點(diǎn) 之一。華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[26-31]采用WAAMCMT方法，通過(guò)多軸焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了鋁合金多角 度傾斜桿件和大型多層點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造(圖6d)，并 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了在圓柱曲面上的 點(diǎn) 陣 結(jié)構(gòu) 制 造(圖6e)。

WAAM-CMT“息弧-冷卻-起弧”工藝極大程度 的突破了制造過(guò)程的幾何與自由度限制。然而，對(duì)于大尺寸應(yīng)用型點(diǎn)陣構(gòu)件的制造，當(dāng)尺寸達(dá)到十米 級(jí)以上時(shí)，WAAM-CMT工藝由于長(zhǎng)的層間冷卻時(shí) 間，制造效率和制造成本逐漸成為不可忽視的影響 因素。

針對(duì)制造效率和制造成本帶來(lái)的超大型點(diǎn)陣結(jié) 構(gòu)成形問(wèn)題，近年來(lái)通過(guò)WAAM-GTA實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣制 造逐漸成為熱點(diǎn)。北京理工大學(xué)增材制造研究團(tuán)隊(duì)[33-37, 40]在無(wú)支撐金屬桿件增材制造工藝的基礎(chǔ) 上，提出了采用WAAM-GTA方法進(jìn)行大尺寸金字 塔形金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)電弧增材制造新思路。其制造過(guò) 程遵循“熔滴形成-熔滴過(guò)渡-熔滴下落-沉積結(jié)束” 的循環(huán)過(guò)程，如圖7所示。WAAM-GTA工藝通過(guò) 脈沖電流模式，實(shí)現(xiàn)金屬桿件不熄弧的連續(xù)沉積， 提升了制造效率。另外金屬絲通過(guò)電阻加熱可以進(jìn) 一步減小電弧熱輸入從而保證質(zhì)量。該工藝方法通過(guò)三軸機(jī)床帶動(dòng)焊槍完成制造，目前已經(jīng)制備了多 材料合金大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 大型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的制造，其脈沖熱絲增材制造技 術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大型點(diǎn)陣的高效低成本制造，如圖8所 示。非熔化極電弧相對(duì)更穩(wěn)定，有利于減少熔滴過(guò) 渡過(guò)程飛濺的形成，提升點(diǎn)陣桿元成形質(zhì)量。

隨著點(diǎn)陣桿元增材制造工藝研究不斷深入，考 慮到大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)胞元數(shù)量大，周期性強(qiáng)的特點(diǎn)， 通過(guò)多熱源協(xié)同或者多熱源并行的工藝方法進(jìn)行高 效點(diǎn)陣制造，成為增材制造領(lǐng)域新的探索與嘗試。 華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以WAAM-CMT工藝為基 礎(chǔ)，采用多個(gè)焊接機(jī)器人協(xié)同制造的模式[27]，能夠 實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件的分區(qū)域成形，且多個(gè)焊接機(jī)器人 自由度疊加后降低了大型化點(diǎn)陣的制造難度，如圖9a、9c所 示 。 北 京 理 工 大 學(xué) 研 究 團(tuán) 隊(duì) 以WAAM-GTA脈沖熱絲工藝為基礎(chǔ)，采用陣列式多弧 并行制造模式，開(kāi)發(fā)了多弧并行高效制造工藝[35]。與 多弧協(xié)同CMT相比，其焊槍陣列式固定排列，以三 軸機(jī)床為主體，適合制造大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)板材等標(biāo)準(zhǔn) 構(gòu)件，目前通過(guò)多弧并行工藝制造了大型鈦合金多 層點(diǎn)陣夾芯板，如圖9b、9d所示。

當(dāng)前大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造工藝以WAAM為 主導(dǎo)，其中WAAM-CMT工藝因其“息弧-冷卻-起 弧”循環(huán)特性成為桁架類(lèi)點(diǎn)陣制造的主流選擇，而WAAM-GTA脈沖熱絲工藝在超大型點(diǎn)陣高效制造 中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)有工藝制備傾斜桿元的成 形精度仍需提高，缺乏桿元幾何參數(shù)-工藝參數(shù)映射 數(shù)據(jù)庫(kù)。多熱源協(xié)同制造工藝有望進(jìn)一步提升制造 效率，但多熱源制造的工藝規(guī)劃、路徑控制、質(zhì)量 一致性等問(wèn)題需進(jìn)一步探究。

2、大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造裝備

增材制造裝備是實(shí)現(xiàn)大型點(diǎn)陣高效成形的載 體，在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的作用不可忽視。面向點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)的增材制造裝備發(fā)展是增材制造領(lǐng)域裝備設(shè) 計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)新興的研究方向，考慮到制造點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度以及成形零件的專(zhuān)用性，大型點(diǎn)陣 結(jié)構(gòu)增材制造裝備的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)目前主要集中在裝備 主體結(jié)構(gòu)研發(fā)以及控制系統(tǒng)研發(fā)方面。當(dāng)前主要的面向點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的增材制造裝備以工業(yè)機(jī)器人和機(jī)床為主體結(jié)構(gòu)。

2.1裝備結(jié)構(gòu)

(1)工業(yè)機(jī)器人+旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜度較高，通常由空間桿元 交錯(cuò)排列。在直角坐標(biāo)系下由于桿元與平面呈現(xiàn)傾斜角度，熔池在堆疊過(guò)程中由于角度的存在容易發(fā)生傾覆和塌陷，這對(duì)于裝備結(jié)構(gòu)提出了較高要求， 即如何減少因角度存在產(chǎn)生的熔池塌陷現(xiàn)象。目前， 多采用工業(yè)機(jī)器人作為主體，配合多自由度旋轉(zhuǎn)工 作臺(tái)，通過(guò)機(jī)器人和工作臺(tái)的協(xié)同位姿配合，能夠 進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，使傾斜制造模式轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直制造 模式，保證了熔滴始終處于有支撐狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu) 配置在WAAM-CMT工藝的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域應(yīng)用 非常普遍。

英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院研究者在大型桁架類(lèi)點(diǎn)陣結(jié) 構(gòu)制造過(guò)程中，采用的制造設(shè)備是多軸工業(yè)焊接機(jī) 器人與六自由度的工作臺(tái)[15]，在整個(gè)制造過(guò)程中由 于工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，桿件沉積方向?qū)嶋H是保持在豎直(與 水平面成90°)方向，幾乎不存在大角度的傾斜制造 過(guò)程，因此并未完全克服制造角度的極限，卻能夠 極大程度避免因傾斜制造角度造成的熔池塌陷，其 制造過(guò)程如圖10a所示。埃及開(kāi)羅美國(guó)大學(xué)[41]采用 同樣的裝備配置，通過(guò)多自由度工作臺(tái)和焊槍協(xié)同 移動(dòng)制造桁架類(lèi)點(diǎn)陣，如圖10b所示。澳大利亞伍 倫貢大學(xué)(圖10c)和華中科技大學(xué)(圖10d)研究者均 采用兩自由度工作臺(tái)和六軸機(jī)器人，前者用于制造 空間構(gòu)型桿件，后者用于制造曲面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

(2)工業(yè)機(jī)器人+固定工作臺(tái)。

以WAAM-CMT工藝為主的增材制造工藝大部分采用機(jī)器人和多自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的方式進(jìn)行制造，雖然能夠最大程度簡(jiǎn)化由于桿元空間位姿帶來(lái)的加工困難，但是在成本考量和結(jié)構(gòu)件尺寸重量方面，旋 轉(zhuǎn)式工作臺(tái)的剛度和強(qiáng)度有極限，因此目前以工業(yè) 機(jī)器人為裝備主體，采用固定式工作臺(tái)的制造方法， 成為了部分增材制造團(tuán)隊(duì)在圍繞低成本制造時(shí)的最 佳選擇。

意大利博洛尼亞大學(xué)[42-45](圖11a)和米蘭理工 大學(xué)[24](圖11b)的研究團(tuán)隊(duì)均采用此裝備配置，基 板固定于工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鋁合金桁架類(lèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造。 天津工業(yè)大學(xué)(圖11c)基于此裝備結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的CMT沉積工藝能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍水平移動(dòng)帶動(dòng)熔滴水平沉積 制造懸空桿元[32]。WU等[46]提出機(jī)器人骨架電弧增 材制造方法，通過(guò)固定焊槍與移動(dòng)工作臺(tái)協(xié)同控制， 成功制備鋁合金金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。該研究創(chuàng)新性地 采用三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)方案，使制造 效率提升200%，實(shí)驗(yàn)表明該方法可實(shí)現(xiàn)50 mm尺度晶格單元制造，為大型空間結(jié)構(gòu)提供新工藝路徑， 但受限于單焊槍作業(yè)模式。

(3)機(jī)床+固定工作臺(tái)。

工業(yè)焊接機(jī)器人是目前電弧熔絲增材制造裝備 最常用的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)，然而，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人相 對(duì)成本較高，導(dǎo)致裝備成本占點(diǎn)陣制造全周期成本 比重較大，不利于大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)批量化生產(chǎn)。因此 面向大型點(diǎn)陣的低成本制造裝備，尤其是國(guó)產(chǎn)化裝備，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)增材制造領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之 一。北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[33-37]基于原創(chuàng)的脈沖 誘導(dǎo)熱絲電弧增材制造點(diǎn)陣成形工藝，研發(fā)的大 型電弧增材制造裝備以三軸數(shù)控機(jī)床為主體，機(jī) 床固定平面工作臺(tái)可以有效實(shí)現(xiàn)大重量合金材料 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)/夾芯結(jié)構(gòu)制造。通過(guò)固定焊槍位置，控 制點(diǎn)陣桿元制造過(guò)程中工藝變量，最終實(shí)現(xiàn)多角 度桿件的懸空制造，具有低成本，高生產(chǎn)效率的 優(yōu)勢(shì)，如圖12所示。

(4)多熱源增材制造裝備。

大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對(duì)于制造效率有著較高的需求， 這同樣對(duì)于裝備設(shè)計(jì)和制造模式設(shè)計(jì)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。目前大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造裝備主要以CMT焊接機(jī)器人為主體的“多機(jī)器人協(xié)同增材制造”裝 備，和以GTA機(jī)床為主體的“多弧并行增材制造” 裝備。

華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[26-27]采用多個(gè)工業(yè)機(jī)器 人，搭建了包含增材制造單元，測(cè)量單元和減材制 造單元的復(fù)合增材制造裝備，其中增材制造單元的工業(yè)機(jī)器人頭部集成了5個(gè)焊槍?zhuān)軌驅(qū)崿F(xiàn)5電弧 同時(shí)制造，提升了制造效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多弧增減復(fù) 合制造，如圖13所示。在實(shí)際制造過(guò)程中，首先通 過(guò)增材單元的多弧模式進(jìn)行材料沉積，增材完成后， 沉積樣品通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，最后進(jìn)行減材加工以去除 加工余量滿足尺寸要求。北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用其 自主研發(fā)的多弧并行增材制造裝備，以點(diǎn)陣板材/夾芯結(jié)構(gòu)板材為制造目標(biāo)，以三軸機(jī)床為主體，設(shè) 計(jì)研發(fā)了10弧(圖14a)，16弧(圖14b)和40弧(圖11c)點(diǎn)陣高效增材制造裝備，并首次完成了十米級(jí)大型 合金鋼點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)板材制備(圖14d)。多弧并行增材制 造技術(shù)作為高校類(lèi)唯一代表性科技成果被京津冀聯(lián) 合辦推薦入選京津冀協(xié)同發(fā)展十周年成果，于中央 電視臺(tái)專(zhuān)題報(bào)導(dǎo)，CCTV1播出(紀(jì)錄片第二集)[47]。 該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的40弧大型電弧增材制造裝備是當(dāng)前 國(guó)內(nèi)最大的金屬3D打印裝備[47-50]。

2.2控制系統(tǒng)

空間桿元作為組成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)最小的基本單元， 其制造質(zhì)量與精度顯著影響點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的整體性能。 為了獲得高精度的桿元，控制和優(yōu)化增材制造工藝參數(shù)至關(guān)重要。與薄壁零件相比，桿元的增材制造 需要嚴(yán)格控制熱輸入，由于每個(gè)微小熔池都是一個(gè)沉積層，熔池的擾動(dòng)與狀態(tài)決定沉積層的沉積質(zhì)量。 因此點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造對(duì)于增材制造控制系統(tǒng)的要求 更高。目前針對(duì)點(diǎn)陣桿元的制造，按照控制方式分 為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩大類(lèi)。

ABE等[25]使用高速攝像機(jī)評(píng)估熔池幾何形狀， 研究熔滴直徑、層高和各種工藝參數(shù)之間的關(guān)系。LI等[51]開(kāi)發(fā)了一種高速成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了熱 像儀和激光器，用于測(cè)量增材制造過(guò)程中的熔滴和 成型桿元的幾何參數(shù)，并處理圖像以分析熔滴尺寸、 桿元直徑和層高。然而，在這些研究中，幾何信息 是通過(guò)手動(dòng)控制后處理獲得的。其控制過(guò)程變量具 有隨機(jī)性，阻礙制造效率的進(jìn)一步提升。

由于WAAM是一個(gè)多參數(shù)耦合過(guò)程，很難通 過(guò)工藝參數(shù)間接監(jiān)測(cè)桿元的幾何形狀。因此，研究 人員采用了視覺(jué)傳感器來(lái)自動(dòng)監(jiān)測(cè)零件的形成，進(jìn) 而開(kāi)展自動(dòng)控制研究。XIONG等[52-54]提出了一種被 動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)將攝像頭與復(fù)合過(guò)濾技術(shù) 相結(jié)合，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池高度、寬度和噴嘴與頂 面之間的距離。ZHAO等[55]探索了工業(yè)相機(jī)對(duì)熔池 發(fā)出的自發(fā)輻射的相對(duì)強(qiáng)度響應(yīng)，捕捉了具有豐富 細(xì)節(jié)的高質(zhì)量圖像。現(xiàn)有的熔池監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)研究 表明，點(diǎn)陣桿元在變量調(diào)控過(guò)程中，優(yōu)先考慮弧長(zhǎng)(電弧長(zhǎng)度)，而往往忽略桿元的幾何尺寸和表面質(zhì) 量。雖然保持適當(dāng)?shù)幕￠L(zhǎng)對(duì)于避免熔池塌陷或預(yù)防 飛濺等問(wèn)題至關(guān)重要，但桿元的幾何特征影響點(diǎn)陣 整體性能，因此，增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中桿元原位監(jiān) 測(cè)技術(shù)需要進(jìn)一步提升。基于上述考慮，LUO等[56]開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，如圖15所示，利用熔池面 積作為研究區(qū)域(Regions of interest, ROI)，以提高桿 元輪廓重建的準(zhǔn)確性，同時(shí)最大限度地減少電弧光 和飛濺的干擾。將重建的桿元輪廓與實(shí)際輪廓進(jìn)行 比較，從重建的剖面中提取關(guān)鍵幾何特征，包括傾 角和直徑，以便于WAAM過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和 控制。研究表明其所提出的桿元輪廓重建方法表現(xiàn) 高精度和強(qiáng)魯棒性。

LE等[57]開(kāi)發(fā)了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熔池邊界 實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。研究采用Grad-CAM算法實(shí)現(xiàn)特征 可視化，在激光粉末床熔融工藝中達(dá)到熔池分割精 度±0.05 mm。該成果熔池監(jiān)測(cè)提供了圖像處理范式 借鑒，但未解決強(qiáng)光照干擾下的測(cè)量失真問(wèn)題。

MAO和JING等[58-59]發(fā)展了多弧并行無(wú)支撐增材制造技術(shù)，可以在無(wú)需旋轉(zhuǎn)打印頭的情況下，通 過(guò)三軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的打印。但是，這 也帶來(lái)了多打印頭的質(zhì)量一致性難題。針對(duì)這一問(wèn) 題，SI等[60]在提出了一種面向無(wú)支撐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造 的智能控制系統(tǒng)，如圖16所示。該方法創(chuàng)新性地將 機(jī)器視覺(jué)(基于EEM編碼的超分辨率跟蹤)與自適應(yīng) 模糊控制相結(jié)合，通過(guò)異常光照識(shí)別(分類(lèi)器精 度>98%)和占空比動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了傾斜45°桿件 中心線誤差0.084 mm的精密成形(較開(kāi)環(huán)控制提升72%)。作者特別針對(duì)大型工業(yè)設(shè)備特性，開(kāi)發(fā)了低 成本視覺(jué)監(jiān)測(cè)方案，在無(wú)支撐點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)并行制造中 展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，為航天/船舶領(lǐng)域大尺寸金屬增材 制造提供了新的質(zhì)量控制范式。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng) 用在40弧并行增材制造裝備上，實(shí)現(xiàn)了多打印頭的 質(zhì)量一致性控制。

現(xiàn)有裝備結(jié)構(gòu)主要分為“機(jī)器人+固定/旋轉(zhuǎn)工 作臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)”與“機(jī)床+固定固定臺(tái)”兩大類(lèi)，工業(yè)機(jī) 器人系統(tǒng)在復(fù)雜點(diǎn)陣制造中靈活性突出，而三軸機(jī) 床系統(tǒng)在低成本批量化生產(chǎn)方面具有潛力。多機(jī)器 人協(xié)同和多弧并行等多熱源裝備的提出，將制造效 率進(jìn)一步提升，但存在成形質(zhì)量一致性不足等問(wèn)題。 通過(guò)熔池監(jiān)測(cè)和圖像分析，并作為輸入應(yīng)用于智能 控制系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)高精度、智能化成形。

3、增材制造大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景

隨著大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)的不斷成熟， 其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與高性能制造中的應(yīng)用日益廣 泛。尤其在結(jié)構(gòu)輕量化、環(huán)境適應(yīng)性及功能集成方 面，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出傳統(tǒng)實(shí)體結(jié)構(gòu)所不具備的獨(dú)特 優(yōu)勢(shì)。結(jié)合增材制造技術(shù)的空間自由度與多尺度控 制能力，大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)正逐步應(yīng)用于輕量化裝備、 海工裝備以及新型海洋基建等重點(diǎn)工程領(lǐng)域。

3.1輕量化裝備

在國(guó)家重大裝備防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，實(shí)心金屬 板材被廣泛應(yīng)用于裝甲車(chē)輛防護(hù)等功能組件中，但其重量大、壓縮使用空間，影響戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)性，已逐 漸難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)非對(duì)稱(chēng)模式下對(duì)裝備高性能輕 質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求。增材制造大型點(diǎn)陣夾芯板作為新興 的輕量化結(jié)構(gòu)，有望成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的減重，還在保證整體剛度與 強(qiáng)度的同時(shí)提升了沖擊吸收與能量耗散能力。

研究表明，采用金屬點(diǎn)陣作為夾芯層，可以在 單位重量下提供更高的比剛度和比強(qiáng)度。例如，航空航天器的蒙皮支撐、導(dǎo)彈殼體、軌道交通構(gòu)件等 均可利用點(diǎn)陣夾芯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代，在不降低結(jié)構(gòu) 可靠性的前提下，顯著降低系統(tǒng)自重。增材制造在 其中的應(yīng)用使得點(diǎn)陣單元的幾何尺寸、密度分布和 拓?fù)湫问侥軌虬葱瓒ㄖ疲瑸槎嗄繕?biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技 術(shù)支撐，是推動(dòng)大型輕量化裝備性能躍升的關(guān)鍵手段。

3.2海工裝備

海工裝備在服役過(guò)程中面臨強(qiáng)腐蝕、高沖擊和 復(fù)雜波浪載荷等多重極端工況，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久 性提出更高要求。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)因其高度可調(diào)的拓?fù)湫螒B(tài)和多尺度力學(xué)響應(yīng)能力，在提升裝備適應(yīng)性方面 具有天然優(yōu)勢(shì)。通過(guò)增材制造技術(shù)構(gòu)建的金屬點(diǎn)陣框架，可顯著提高關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗疲勞 性能，同時(shí)降低局部應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在海工領(lǐng)域的應(yīng)用前景主要集 中于如水下浮力模塊、浮式平臺(tái)連接構(gòu)件、減振隔 離結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位。增材制造賦予設(shè)計(jì)工程人員更 大的自由度，可實(shí)現(xiàn)多材料集成與結(jié)構(gòu)梯度變化， 在保持構(gòu)件整體連續(xù)性的基礎(chǔ)上，局部強(qiáng)化目標(biāo)性能，提升裝備在長(zhǎng)周期運(yùn)行下的可靠性。此外，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特有的內(nèi)部孔隙特征，有助于減輕整體重量 并增強(qiáng)吸能能力，為深海裝備提供更強(qiáng)的抗沖擊與 緩沖保護(hù)功能。

3.3海洋基建

海洋基建結(jié)構(gòu)需兼顧承載性能、耐久性以及對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境的適應(yīng)能力。近年來(lái)，一種新型的鋼 板-點(diǎn)陣夾芯-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)逐漸成為深遠(yuǎn)海建筑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)由上下鋼板、中間點(diǎn)陣支撐層和填充混凝土組成，通過(guò)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何支撐 作用有效改善傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)易開(kāi)裂、疲勞性能差 的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)、輕質(zhì)和高韌性協(xié)同。

點(diǎn)陣夾芯層在其中發(fā)揮核心作用，其拓?fù)湫螒B(tài)可依據(jù)受力路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)與整 體穩(wěn)定性的統(tǒng)一。尤其是點(diǎn)陣桿元表面凹凸金屬層 可以擴(kuò)大其與混凝土的結(jié)合面積，因此其尺寸精度 要求較低，增材制造點(diǎn)陣可以滿足這一特定需求。 該類(lèi)結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于深海千米級(jí)平臺(tái)、浮動(dòng)碼頭 結(jié)構(gòu)、水下棧橋支撐系統(tǒng)等大型建筑構(gòu)件。通過(guò)增 材制造直接構(gòu)建點(diǎn)陣支撐層，不僅提升了制造精度與一致性，還可根據(jù)具體環(huán)境負(fù)載進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào) 整，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的服役適應(yīng)性與維護(hù)可達(dá)性。同時(shí)， 開(kāi)放式孔隙結(jié)構(gòu)亦為生物附著和人工生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了條件，有助于推動(dòng)海洋基建的綠色發(fā)展和 生態(tài)友好型設(shè)計(jì)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在輕量化裝備、海工裝備及海洋基建 三大領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。但當(dāng)前工程案例多限于實(shí)驗(yàn)室尺度，缺乏米級(jí)構(gòu)件服役驗(yàn)證數(shù)據(jù)；另外， 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的力學(xué)和功能需求差異 顯著，缺乏點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-制造-評(píng)價(jià)體系以滿足多 場(chǎng)耦合環(huán)境下的性能匹配需求。

4、結(jié)論與展望

大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、多功能耦合等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、海洋工程、建筑等重點(diǎn)領(lǐng)域展現(xiàn) 出廣闊的應(yīng)用前景。增材制造作為突破傳統(tǒng)制造方 式的重要手段，使復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的整體成形成為可 能，在推動(dòng)新一代輕量化與功能集成結(jié)構(gòu)發(fā)展方面 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 的制造工藝、裝備系統(tǒng)及其典型應(yīng)用已取得了一定研究進(jìn)展，尤其在桁架類(lèi)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、夾芯結(jié)構(gòu)制備 等方面顯示出獨(dú)特潛力。然而，現(xiàn)有點(diǎn)陣增材制造 體系在成形質(zhì)量、成形穩(wěn)定性、裝備集成化程度及 應(yīng)用規(guī)范化方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。未來(lái)需進(jìn)一步聚 焦以下幾個(gè)關(guān)鍵發(fā)展方向，以推動(dòng)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增 材制造技術(shù)向?qū)嵱没⒐こ袒~進(jìn)。

(1)提升點(diǎn)陣增材制造工藝可控性與穩(wěn)定性。 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能高度依賴(lài)其幾何拓?fù)渑c尺度分布，而大型點(diǎn)陣構(gòu)件在制造過(guò)程中易出現(xiàn)部分點(diǎn)陣 胞元幾何畸變、節(jié)點(diǎn)不連續(xù)等問(wèn)題，影響整體性能。 未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同尺度下點(diǎn)陣單元設(shè)計(jì)與制造參數(shù) 的耦合機(jī)制研究，提升工藝穩(wěn)定性，保障結(jié)構(gòu)的完 整性與一致性。另外，基于目前熔絲增材制造點(diǎn)陣 成形精度不高等技術(shù)難題，引入激光增材制造精細(xì) 化的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合光束整形技術(shù)進(jìn)行熔池調(diào)控，推動(dòng) 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造向大型化，精密化共同發(fā)展。

(2)推動(dòng)多熱源制造裝備與控制系統(tǒng)集成發(fā)展。當(dāng)前點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的多熱源增材制造往往依賴(lài)多臺(tái) 設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，或者多弧并行固定式簡(jiǎn)單邏輯調(diào)控 運(yùn)行，存在控制系統(tǒng)分散、集成度低、反饋調(diào)節(jié)困 難等問(wèn)題，影響大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)整體制造效率與穩(wěn)定性。應(yīng)發(fā)展集工藝規(guī)劃、路徑控制、成形反饋于一 體的高度集成化智能制造平臺(tái)與控制系統(tǒng)，提升多 熱源裝備的智能化水平與柔性適應(yīng)能力。

(3)建立應(yīng)用導(dǎo)向的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與評(píng)價(jià)體系。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的力學(xué)需求差異 顯著，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以滿足多場(chǎng)耦合 環(huán)境下的性能匹配需求。應(yīng)結(jié)合抗沖擊、洋流環(huán)境與抗腐蝕等具體工程場(chǎng)景，構(gòu)建相應(yīng)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)方法、失效準(zhǔn)則與服役壽命預(yù)測(cè)模型，為大型點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供理論依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)支撐。

(4)探索功能梯度與多材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造新路徑。面向復(fù)雜服役環(huán)境，單一材料與均勻結(jié)構(gòu)難以 滿足多重功能協(xié)同要求。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步探索多材料、 功能梯度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的構(gòu)建策略，開(kāi)發(fā)匹配的新型增 材制造工藝與裝備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能一體化的 高性能制造模式。

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作者簡(jiǎn)介：徐田秋，男，1995 年出生，博士。主要研究方向?yàn)榧す庠霾闹圃旆椒ā㈦娀≡霾闹圃齑笮忘c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、激光光束整形和成像技術(shù)和熔池動(dòng)力學(xué)建模與仿真方法。

E-mail：tianqiu.xu@polimi.it

劉長(zhǎng)猛(通信作者)，男，1988 年出生，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。

主要研究方向?yàn)槎嗄苁劢z并行增材制造控形控性機(jī)理與方法、控制系統(tǒng)與智能裝備。

E-mail：liuchangmeng@bit.edu.cn

（注，原文標(biāo)題：大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)與進(jìn)展）

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