电弧增材制造主导下大型点阵结构的工艺突破、装备创新与应用拓展——系统梳理WAAM-CMT/WAAM-GTA核心工艺特性，解析多热源协同装备设计逻辑，展望轻量化装备、海工装备及海洋基建领域工程化应用前景

前言

点阵结构(Lattice structures)是一类由基本几何胞元周期性排列、通过组成胞元的杆元相互连接构成的多孔结构体系。该结构具有轻质高强、高比吸能、抗冲击，减震降噪等特性，在航空航天、生物 医学、建筑工程及先进制造等领域展现出广泛的应 用前景[1-3]。根据结构尺度的不同，点阵结构通常可 划分为精密点阵结构与大型点阵结构两大类。前者 主要指微米至毫米量级的小尺寸结构，广泛应用于 功能性微结构器件与个性化植入体的制造；而后者 则涉及厘米至米甚至千米级的中大型结构，大型点 阵结构正逐步在大型装备减重、吸能构件设计及多 功能复合结构开发等方面展现出巨大潜力，如图1所示。研究表明，采用等体积的钢点阵夹芯板材替 代传统的实体板材，其重量可减轻30%，同时兼具 减震降噪等功能特性，在大型船舶轻量化设计与制 造方面有广阔应用前景。

然而，点阵结构的制造方法与技术一直是制约点阵结构实际应用的重要难点。由于高孔隙率以及 空间复杂的几何约束，目前面向点阵结构的制造方法主要可分为：以冲压折叠法、熔模铸造法等为代 表的传统制造方法和以“材料堆积成形”为特点的 增材制造方法。

熔模铸造法是能够实现点阵结构/夹芯结构一体化成形的传统制造方法。早期DESHPANDE和WADLEY等[4]通过该工艺来制备金属点阵，并且成 功制备出铝合金八面体胞元构型。该方法利用典型 铸造工艺，通过预先设计点阵结构浇筑模具，然后 进行点阵夹芯结构的一体化铸造成形[5]。但是，熔 模铸造的制造流程存在一定安全隐患，且制造流程 相对繁琐，对于特定的点阵构型需要单独设计结构 模具，制造效率较低。冲压折叠法也是一种传统的 点阵结构制造方法，其原理是首先需要用特定形状 的模具在板材上进行冲压，在板材表面获得特定的 平面二维网状结构[6]。然后通过后续模具对二维网 状结构进行冲压折叠获得点阵芯层，制造过程自动 化程度高且工序简单，加工周期较短。然而由于冲 压过程导致大量原材料被去除和消耗，其整体材料 利用率比较低，增加了制造的成本。与之类似，线 切割嵌锁法[7]，金属丝编织法[8]，电火花切割法[9]等传统制造方法目前均可以实现点阵结构的制造， 但总体存在制造周期长，制造效率低，制造成本高 等局限。

增材制造(Additive manufacturing，AM)，即3D打印技术，是近年来先进制造技术的代表之一。该 技术基于“离散+堆积”原理，可以实现复杂结构设 计制造一体化，与传统点阵制造方法相比，具备“材 料堆积成形”的制造特点，尤其适合制造具备空间 复杂构型的点阵结构。增材制造方法目前已经成功 应用于合金钢、钛合金、铝合金等多种常见金属材 料点阵的制备[10]。根据原材料的形式，可以将金属 点阵的增材制造方法分为两类：铺粉式增材制造和 熔丝式增材制造。根据热源的能量不同，可以将增 材制造方法主要分为高能束增材制造(以激光、电子 束为热源)和电弧增材制造[10]。

以激光为热源的粉末床熔融增材制造技术(Laser powder bed fusion，LPBF)是当前制备精密微 小尺寸点阵结构的常用技术。该技术凭借其卓越的成形精度、复杂结构制造能力以及高材料利用率等 优点，在精密点阵结构的制备中得到了广泛应用。 精密点阵结构由于其轻量化、能量吸收、比表面积 大和多功能集成等特性，广泛用于航空航天、生物 医疗及工程结构等多个领域[11]。航空航天工业借助LPBF点阵结构的轻量化优势用于制造飞机结构 件和火箭零部件；医疗领域则用于定制化骨科植 入物与牙科支架；汽车行业则在能源吸收、热管 理部件中大量采用点阵结构。此外，新兴的微结 构器件和功能梯度材料设计，也展示了LPBF制 造点阵在微尺度加工方面的潜力。然而，LPBF设备的成形尺寸通常受限于构建腔体的物理限 制，其制造效率和构件尺寸在面对大型或超大型 点阵结构时受到制约。另外，由于设备成本，粉 末原材料成本等原因，大型点阵结构整体制造成 本较高，无法满足大型点阵结构对高生产效率与 成本控制的需求。

为克服这一限制，近年来，电弧熔丝增材制 造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)逐渐 成为制备大尺寸甚至超大尺寸金属点阵结构的有 力补充。WAAM是一种基于电弧熔化金属丝逐层 堆积的增材技术，具有沉积效率高、设备成本低 和理论上可成形任意尺寸构件等显著优势。特别 是在制造大型点阵构件时，WAAM可以在较短周 期内完成结构搭建，大幅提高制造效率，并降低 生产成 本。 通过工艺路 径设计 与参 数优化，WAAM同样可以实现周期性、可调控的空间结构 排列，从而形成具有力学和功能特性的点阵结构。 在应用前景方面，WAAM制备的大型点阵结构适用于航空航天中的大型支撑构件、轨道交通和海 洋工程中的大型轻质承载结构，以及需要个性化 设计的大型工业产品原型。

尽管WAAM相比LPBF在尺寸和成本上具备 明显优势，但其在成形精度、表面质量以及点阵 杆元细节精度控制方面仍存在不足，尤其是在微尺度点阵构造方面难以达 LPBF的加工精度，无法 保证点阵胞元结构和性能一致性。因此，未来的大 型点阵结构制造从高效化向高精度化发展是一个明显的趋势。对大型点阵结构增材制造技术方法进行 梳理和总结，进一步发掘增材制造大型点阵结构的 应用潜力具有重要意义。

本文对大型点阵结构增材制造方法进行了简要 概述；并从制造工艺、装备和应用场景三个方面总 结了目前的相关研究成果；最后对增材制造大型点 阵结构未来的发展方向进行了展望。

1、大型点阵结构增材制造工艺

1.1电弧增材制造技术原理与分类

电弧增材制造以电弧(或等离子弧)作为热源,以 金属丝作为原材料，在惰性气体的保护环境中按照 预设的轨迹进行逐层沉积，直至形成所需零件。根 据热源性质的不同，电弧增材制造主要分为三种类 型[12]：以熔化极惰性气体保护焊(Gas metal arc welding，GMA)为原理的WAAM-GMA，以钨极惰 性气体保护焊(Gas tungsten arc welding，GTA)为原 理的WAAM-GTA，以等离子电弧焊(Plasma arc welding，PA)为原理的WAAM-PA，如图2所示。

WAAM-GTA的原理见图2a，通过焊枪中的钨极尖端放电，使基板和钨极尖端之间产生电弧，金属丝按照一定的送丝速度送入电弧区域后熔化成熔 滴，熔滴下落后凝固形成沉积层，随着沉积过程的 进行，焊枪沿着预定轨迹不断进行移动，逐层堆叠 最终完成零件的制备。WAAM-GTA的特点是电弧 相对稳定，侧向送丝一定程度上能减少熔滴飞溅， 但其送丝模式可能会导致装备出现几何干涉。

WAAM-GMA的原理见图2b，与WAAM-GTA不同，其电极既是热源，又是成形所需材料，通过 金属丝尖端与基板之间产生电弧，同时金属丝以一 定的送丝速度向下移动，与基板接触形成熔滴，并过渡到基板上，随着沉积过程的进行，焊枪移动导 致沉积层堆叠，最终完成制造过程。WAAM-GMA的特点是存在较为严重的熔滴飞溅现象，电弧稳定 性较差。此外，为了减少焊接过程的热输入，降低 飞溅量，奥地利Fronius公司基于GMA的短路过渡过程开发了目前广泛应用于焊接领域的冷金属过渡(Cold metal transfer, CMT)工艺方法，其技术原理如 图2c所示。与GMA原理类似，丝材作为熔化极， 产生电弧并形成熔滴，熔滴与熔池接触发生短路， 电弧熄灭，电流减小，CMT系统便控制金属丝回抽 导致熔滴脱落，此时金属丝回到初始位置，电弧重 新引燃，如此循环往复，最终实现零件的制造[12]。

WAAM-PA的原理如图2d所示，以等离子弧为 热源熔化金属丝材逐层沉积成形。与WAAM-GTA、WAAM-GMA相比，WAAM-PA具有能量密度高、 电弧集束性好以及熔池动态行为稳定等优势。但该技术仍的工艺参数调节范围较窄、寿命喷嘴短及热 输入较大等缺点。

由于电弧增材制造在制备大尺寸结构件方面低 成本高效率的优势，对于大型点阵结构，电弧增材制造近年来在点阵制造领域逐渐成为热点之一。

1.2大型点阵结构增材制造工艺方法

目前米级大型点阵结构的增材制造工艺主要集 中于WAAM-GMA, WAAM-CMT和WAAM -GTA三种工艺方法。根据制造后样件的几何特征进行分 类，主要有基于杆元-杆元相连接的桁架类点阵结 构，标准几何构型的点阵结构(如金字塔构型，四面 体构型等)以及点阵夹芯结构国内外主要研究团队与相应的大型点阵研究成 果简述如表1所示。

表 1 国内外大型点阵结构增材制造工艺方法、点阵类型与研究重点

如表1所示，目前针对大型点阵的研究主要集中于冷金属过渡熔化极电弧熔丝工艺(WAAM-CMT)。制造的点阵结构几何拓扑主要由杆 元构成的类桁架结构。CMT工艺在点阵结构增材制 造方面应用广泛，主要的工艺特征是“息弧-冷却 起弧-息弧”循环沉积工艺。如图3所示。

法国蒙彼利埃大学的RADEL等[13-14]采用WAAM- CMT方法制造了桁架类点阵结构，利用计 算机辅助制造技术提出了一种逐点自动制造复杂空 间桁架结构的制造策略。该研究制造设备采用六自 由度的工业机器人，工作台保持固定，能够制造0°～90°的空间杆件，最终的桁架结构与预设模型 符合度较高，如图4a所示。英国帝国理工学院的YE等人联合荷兰MX3D，针对空间金属桁架结构， 设计了几何优化算法来确定优化元素的拓扑结构， 同时进行截面优化以获得符合WAAM约束的圆管 状杆件截面，最后通过WAAM-GMA方法制造计算 得到的几何模型[15]。如图4b所示。荷兰金属电弧增材制造公司MX3D利用多轴焊接机器人，首次提 出通过WAAM-CMT方法制备空间网状点阵结构的 制造工艺，如图4c所示。

瑞士苏黎世联邦理工学院SILVESTRU等[19,38]面向建筑结构创新设计的项目中，采用CMT技术 将相邻的两个金属杆元进行增材连接，如图4d所 示。其连接区域的形貌为电弧增材制造的金属空间 桁架类结构。在实验中采用熔滴逐点调控方法进行 杆元制造，并针对焊枪在连接过程中的沉积路径进 行了优化。意大利博洛尼亚大学的LAGHI等[16,39]在和MX3D的合作项目中探索了新型无支撑WAAM“dot-by-dot”技术制造不锈钢网状骨架结构， 该结构作为创新建筑结构设计应用在新概念建筑支 柱中。研究者基于材料性能、制造特性和建筑设计 等各个方面，通过多轴机器人在固定的金属基板上 采用WAAM- CMT方法成功制造出网状结构。该结 构为90°竖直杆件和80°倾斜杆件互相搭配而成， 如图4e所示。

澳大利亚伍伦贡大学的增材制造研究团队[20-21]对空间杆件结构制造领域进行了探索，提出了针对 于骨架类结构的增材制造工艺，通过构建熔滴参数 模型，优化实际沉积路径和成形工艺，实现了WAAM- CMT制造空间杆元，如图5a所示。该团 队对于多角度杆件制造工艺与路径策略方面也进行 过相关研究，采用WAAM-CMT方法制备了30°～70°的倾斜金属杆，并通过沉积策略实现了曲线型 杆件的制造，最后通过验证工艺可靠性制造了空间 的立方体结构[22,23]，如图5b所示。

桁架类结构作为点阵制造的前期研究基础，主 要探索不同倾斜角度杆元的成形工艺，在此基础上， 实现了电弧增材制造大尺寸标准几何点阵结构，目 前主要以金字塔结构为主，日本埼玉大学(图6a)， 天津工业大学(图6c)等研究者在金字塔点阵结构制 造工艺方面进行了初步尝试。WAAM制造空间杆元 的研究为制造大尺寸点阵结构提供了基本研究策略 和制造工艺，面向金属点阵的制造过程、成形机理 以及相关性能的研究是现阶段增材制造领域的热点 之一。华中科技大学研究团队[26-31]采用WAAMCMT方法，通过多轴焊接机器人实现了铝合金多角 度倾斜杆件和大型多层点阵结构的制造(图6d)，并 进一步实现了在圆柱曲面上的 点 阵 结构 制 造(图6e)。

WAAM-CMT“息弧-冷却-起弧”工艺极大程度 的突破了制造过程的几何与自由度限制。然而，对于大尺寸应用型点阵构件的制造，当尺寸达到十米 级以上时，WAAM-CMT工艺由于长的层间冷却时 间，制造效率和制造成本逐渐成为不可忽视的影响 因素。

针对制造效率和制造成本带来的超大型点阵结 构成形问题，近年来通过WAAM-GTA实现点阵制 造逐渐成为热点。北京理工大学增材制造研究团队[33-37, 40]在无支撑金属杆件增材制造工艺的基础 上，提出了采用WAAM-GTA方法进行大尺寸金字 塔形金属点阵结构电弧增材制造新思路。其制造过 程遵循“熔滴形成-熔滴过渡-熔滴下落-沉积结束” 的循环过程，如图7所示。WAAM-GTA工艺通过 脉冲电流模式，实现金属杆件不熄弧的连续沉积， 提升了制造效率。另外金属丝通过电阻加热可以进 一步减小电弧热输入从而保证质量。该工艺方法通过三轴机床带动焊枪完成制造，目前已经制备了多 材料合金大型点阵结构。进一步地，该团队实现了 大型点阵夹芯结构的制造，其脉冲热丝增材制造技 术能够实现大型点阵的高效低成本制造，如图8所 示。非熔化极电弧相对更稳定，有利于减少熔滴过 渡过程飞溅的形成，提升点阵杆元成形质量。

随着点阵杆元增材制造工艺研究不断深入，考 虑到大型点阵结构胞元数量大，周期性强的特点， 通过多热源协同或者多热源并行的工艺方法进行高 效点阵制造，成为增材制造领域新的探索与尝试。 华中科技大学研究团队以WAAM-CMT工艺为基 础，采用多个焊接机器人协同制造的模式[27]，能够 实现大型结构件的分区域成形，且多个焊接机器人 自由度叠加后降低了大型化点阵的制造难度，如图9a、9c所 示 。 北 京 理 工 大 学 研 究 团 队 以WAAM-GTA脉冲热丝工艺为基础，采用阵列式多弧 并行制造模式，开发了多弧并行高效制造工艺[35]。与 多弧协同CMT相比，其焊枪阵列式固定排列，以三 轴机床为主体，适合制造大型点阵结构板材等标准 构件，目前通过多弧并行工艺制造了大型钛合金多 层点阵夹芯板，如图9b、9d所示。

当前大型点阵结构增材制造工艺以WAAM为 主导，其中WAAM-CMT工艺因其“息弧-冷却-起 弧”循环特性成为桁架类点阵制造的主流选择，而WAAM-GTA脉冲热丝工艺在超大型点阵高效制造 中展现出独特优势。但现有工艺制备倾斜杆元的成 形精度仍需提高，缺乏杆元几何参数-工艺参数映射 数据库。多热源协同制造工艺有望进一步提升制造 效率，但多热源制造的工艺规划、路径控制、质量 一致性等问题需进一步探究。

2、大型点阵结构增材制造装备

增材制造装备是实现大型点阵高效成形的载 体，在点阵结构件生产中的作用不可忽视。面向点 阵结构的增材制造装备发展是增材制造领域装备设 计开发过程中一个新兴的研究方向，考虑到制造点 阵结构的复杂度以及成形零件的专用性，大型点阵 结构增材制造装备的开发环节目前主要集中在装备 主体结构研发以及控制系统研发方面。当前主要的面向点阵结构的增材制造装备以工业机器人和机床为主体结构。

2.1装备结构

(1)工业机器人+旋转工作台。

点阵结构的几何复杂度较高，通常由空间杆元 交错排列。在直角坐标系下由于杆元与平面呈现倾斜角度，熔池在堆叠过程中由于角度的存在容易发生倾覆和塌陷，这对于装备结构提出了较高要求， 即如何减少因角度存在产生的熔池塌陷现象。目前， 多采用工业机器人作为主体，配合多自由度旋转工 作台，通过机器人和工作台的协同位姿配合，能够 进行坐标系转化，使倾斜制造模式转变为竖直制造 模式，保证了熔滴始终处于有支撑状态，这种结构 配置在WAAM-CMT工艺的点阵结构制造领域应用 非常普遍。

英国帝国理工学院研究者在大型桁架类点阵结 构制造过程中，采用的制造设备是多轴工业焊接机 器人与六自由度的工作台[15]，在整个制造过程中由 于工作台旋转，杆件沉积方向实际是保持在竖直(与 水平面成90°)方向，几乎不存在大角度的倾斜制造 过程，因此并未完全克服制造角度的极限，却能够 极大程度避免因倾斜制造角度造成的熔池塌陷，其 制造过程如图10a所示。埃及开罗美国大学[41]采用 同样的装备配置，通过多自由度工作台和焊枪协同 移动制造桁架类点阵，如图10b所示。澳大利亚伍 伦贡大学(图10c)和华中科技大学(图10d)研究者均 采用两自由度工作台和六轴机器人，前者用于制造 空间构型杆件，后者用于制造曲面点阵结构。

(2)工业机器人+固定工作台。

以WAAM-CMT工艺为主的增材制造工艺大部分采用机器人和多自由度转台的方式进行制造，虽然能够最大程度简化由于杆元空间位姿带来的加工困难，但是在成本考量和结构件尺寸重量方面，旋 转式工作台的刚度和强度有极限，因此目前以工业 机器人为装备主体，采用固定式工作台的制造方法， 成为了部分增材制造团队在围绕低成本制造时的最 佳选择。

意大利博洛尼亚大学[42-45](图11a)和米兰理工 大学[24](图11b)的研究团队均采用此装备配置，基 板固定于工作台，实现铝合金桁架类点阵结构制造。 天津工业大学(图11c)基于此装备结构开发的CMT沉积工艺能够实现焊枪水平移动带动熔滴水平沉积 制造悬空杆元[32]。WU等[46]提出机器人骨架电弧增 材制造方法，通过固定焊枪与移动工作台协同控制， 成功制备铝合金金字塔点阵结构。该研究创新性地 采用三轴运动系统替代传统转台旋转方案，使制造 效率提升200%，实验表明该方法可实现50 mm尺度晶格单元制造，为大型空间结构提供新工艺路径， 但受限于单焊枪作业模式。

(3)机床+固定工作台。

工业焊接机器人是目前电弧熔丝增材制造装备 最常用的主体机械结构，然而，对于工业机器人相 对成本较高，导致装备成本占点阵制造全周期成本 比重较大，不利于大型点阵结构批量化生产。因此 面向大型点阵的低成本制造装备，尤其是国产化装备，成为近年来国内增材制造领域发展的重点之 一。北京理工大学研究团队[33-37]基于原创的脉冲 诱导热丝电弧增材制造点阵成形工艺，研发的大 型电弧增材制造装备以三轴数控机床为主体，机 床固定平面工作台可以有效实现大重量合金材料 点阵结构/夹芯结构制造。通过固定焊枪位置，控 制点阵杆元制造过程中工艺变量，最终实现多角 度杆件的悬空制造，具有低成本，高生产效率的 优势，如图12所示。

(4)多热源增材制造装备。

大型点阵结构对于制造效率有着较高的需求， 这同样对于装备设计和制造模式设计是一个全新的挑战。目前大型点阵结构增材制造装备主要以CMT焊接机器人为主体的“多机器人协同增材制造”装 备，和以GTA机床为主体的“多弧并行增材制造” 装备。

华中科技大学研究团队[26-27]采用多个工业机器 人，搭建了包含增材制造单元，测量单元和减材制 造单元的复合增材制造装备，其中增材制造单元的工业机器人头部集成了5个焊枪，能够实现5电弧 同时制造，提升了制造效率，进而实现多弧增减复 合制造，如图13所示。在实际制造过程中，首先通 过增材单元的多弧模式进行材料沉积，增材完成后， 沉积样品通过无损检测，最后进行减材加工以去除 加工余量满足尺寸要求。北京理工大学团队采用其 自主研发的多弧并行增材制造装备，以点阵板材/夹芯结构板材为制造目标，以三轴机床为主体，设 计研发了10弧(图14a)，16弧(图14b)和40弧(图11c)点阵高效增材制造装备，并首次完成了十米级大型 合金钢点阵结构板材制备(图14d)。多弧并行增材制 造技术作为高校类唯一代表性科技成果被京津冀联 合办推荐入选京津冀协同发展十周年成果，于中央 电视台专题报导，CCTV1播出(纪录片第二集)[47]。 该团队研发的40弧大型电弧增材制造装备是当前 国内最大的金属3D打印装备[47-50]。

2.2控制系统

空间杆元作为组成点阵结构最小的基本单元， 其制造质量与精度显著影响点阵结构的整体性能。 为了获得高精度的杆元，控制和优化增材制造工艺参数至关重要。与薄壁零件相比，杆元的增材制造 需要严格控制热输入，由于每个微小熔池都是一个沉积层，熔池的扰动与状态决定沉积层的沉积质量。 因此点阵结构的制造对于增材制造控制系统的要求 更高。目前针对点阵杆元的制造，按照控制方式分 为手动控制和自动控制两大类。

ABE等[25]使用高速摄像机评估熔池几何形状， 研究熔滴直径、层高和各种工艺参数之间的关系。LI等[51]开发了一种高速成像系统，该系统集成了热 像仪和激光器，用于测量增材制造过程中的熔滴和 成型杆元的几何参数，并处理图像以分析熔滴尺寸、 杆元直径和层高。然而，在这些研究中，几何信息 是通过手动控制后处理获得的。其控制过程变量具 有随机性，阻碍制造效率的进一步提升。

由于WAAM是一个多参数耦合过程，很难通 过工艺参数间接监测杆元的几何形状。因此，研究 人员采用了视觉传感器来自动监测零件的形成，进 而开展自动控制研究。XIONG等[52-54]提出了一种被 动视觉传感系统，该系统将摄像头与复合过滤技术 相结合，用于实时监测熔池高度、宽度和喷嘴与顶 面之间的距离。ZHAO等[55]探索了工业相机对熔池 发出的自发辐射的相对强度响应，捕捉了具有丰富 细节的高质量图像。现有的熔池监测技术相关研究 表明，点阵杆元在变量调控过程中，优先考虑弧长(电弧长度)，而往往忽略杆元的几何尺寸和表面质 量。虽然保持适当的弧长对于避免熔池塌陷或预防 飞溅等问题至关重要，但杆元的几何特征影响点阵 整体性能，因此，增材制造点阵结构中杆元原位监 测技术需要进一步提升。基于上述考虑，LUO等[56]开发一种自动监测方法，如图15所示，利用熔池面 积作为研究区域(Regions of interest, ROI)，以提高杆 元轮廓重建的准确性，同时最大限度地减少电弧光 和飞溅的干扰。将重建的杆元轮廓与实际轮廓进行 比较，从重建的剖面中提取关键几何特征，包括倾 角和直径，以便于WAAM过程中进行实时监测和 控制。研究表明其所提出的杆元轮廓重建方法表现 高精度和强鲁棒性。

LE等[57]开发了基于卷积神经网络的熔池边界 实时预警系统。研究采用Grad-CAM算法实现特征 可视化，在激光粉末床熔融工艺中达到熔池分割精 度±0.05 mm。该成果熔池监测提供了图像处理范式 借鉴，但未解决强光照干扰下的测量失真问题。

MAO和JING等[58-59]发展了多弧并行无支撑增材制造技术，可以在无需旋转打印头的情况下，通 过三轴运动实现无支撑点阵结构的打印。但是，这 也带来了多打印头的质量一致性难题。针对这一问 题，SI等[60]在提出了一种面向无支撑点阵结构制造 的智能控制系统，如图16所示。该方法创新性地将 机器视觉(基于EEM编码的超分辨率跟踪)与自适应 模糊控制相结合，通过异常光照识别(分类器精 度>98%)和占空比动态调节，实现了倾斜45°杆件 中心线误差0.084 mm的精密成形(较开环控制提升72%)。作者特别针对大型工业设备特性，开发了低 成本视觉监测方案，在无支撑点阵结构并行制造中 展现出显著优势，为航天/船舶领域大尺寸金属增材 制造提供了新的质量控制范式。目前该技术已经应 用在40弧并行增材制造装备上，实现了多打印头的 质量一致性控制。

现有装备结构主要分为“机器人+固定/旋转工 作台转台”与“机床+固定固定台”两大类，工业机 器人系统在复杂点阵制造中灵活性突出，而三轴机 床系统在低成本批量化生产方面具有潜力。多机器 人协同和多弧并行等多热源装备的提出，将制造效 率进一步提升，但存在成形质量一致性不足等问题。 通过熔池监测和图像分析，并作为输入应用于智能 控制系统，有望实现高精度、智能化成形。

3、增材制造大型点阵结构应用场景

随着大型点阵结构增材制造技术的不断成熟， 其在复杂结构件设计与高性能制造中的应用日益广 泛。尤其在结构轻量化、环境适应性及功能集成方 面，点阵结构展现出传统实体结构所不具备的独特 优势。结合增材制造技术的空间自由度与多尺度控 制能力，大型点阵结构正逐步应用于轻量化装备、 海工装备以及新型海洋基建等重点工程领域。

3.1轻量化装备

在国家重大装备防护结构设计方面，实心金属 板材被广泛应用于装甲车辆防护等功能组件中，但其重量大、压缩使用空间，影响战场机动性，已逐 渐难以满足现代战争非对称模式下对装备高性能轻 质结构的需求。增材制造大型点阵夹芯板作为新兴 的轻量化结构，有望成为代替传统结构的最佳选择。 其不仅能够实现显著的减重，还在保证整体刚度与 强度的同时提升了冲击吸收与能量耗散能力。

研究表明，采用金属点阵作为夹芯层，可以在 单位重量下提供更高的比刚度和比强度。例如，航空航天器的蒙皮支撑、导弹壳体、轨道交通构件等 均可利用点阵夹芯板结构进行替代，在不降低结构 可靠性的前提下，显著降低系统自重。增材制造在 其中的应用使得点阵单元的几何尺寸、密度分布和 拓扑形式能够按需定制，为多目标优化设计提供技 术支撑，是推动大型轻量化装备性能跃升的关键手段。

3.2海工装备

海工装备在服役过程中面临强腐蚀、高冲击和 复杂波浪载荷等多重极端工况，对结构强度与耐久 性提出更高要求。点阵结构因其高度可调的拓扑形态和多尺度力学响应能力，在提升装备适应性方面 具有天然优势。通过增材制造技术构建的金属点阵框架，可显著提高关键部件的结构稳定性与抗疲劳 性能，同时降低局部应力集中风险。

当前，点阵结构在海工领域的应用前景主要集 中于如水下浮力模块、浮式平台连接构件、减振隔 离结构等关键部位。增材制造赋予设计工程人员更 大的自由度，可实现多材料集成与结构梯度变化， 在保持构件整体连续性的基础上，局部强化目标性能，提升装备在长周期运行下的可靠性。此外，点阵结构特有的内部孔隙特征，有助于减轻整体重量 并增强吸能能力，为深海装备提供更强的抗冲击与 缓冲保护功能。

3.3海洋基建

海洋基建结构需兼顾承载性能、耐久性以及对复杂海洋环境的适应能力。近年来，一种新型的钢 板-点阵夹芯-混凝土复合结构逐渐成为深远海建筑领域的研究热点。该结构由上下钢板、中间点阵支撑层和填充混凝土组成，通过点阵结构的几何支撑 作用有效改善传统混凝土结构易开裂、疲劳性能差 的问题，同时实现结构的高强、轻质和高韧性协同。

点阵夹芯层在其中发挥核心作用，其拓扑形态可依据受力路径进行优化设计，实现局部增强与整 体稳定性的统一。尤其是点阵杆元表面凹凸金属层 可以扩大其与混凝土的结合面积，因此其尺寸精度 要求较低，增材制造点阵可以满足这一特定需求。 该类结构可广泛应用于深海千米级平台、浮动码头 结构、水下栈桥支撑系统等大型建筑构件。通过增 材制造直接构建点阵支撑层，不仅提升了制造精度与一致性，还可根据具体环境负载进行结构参数调 整，增强结构的服役适应性与维护可达性。同时， 开放式孔隙结构亦为生物附着和人工生态系统的构建提供了条件，有助于推动海洋基建的绿色发展和 生态友好型设计。

点阵结构在轻量化装备、海工装备及海洋基建 三大领域展现出应用潜力。但当前工程案例多限于实验室尺度，缺乏米级构件服役验证数据；另外， 点阵结构在不同应用场景中的力学和功能需求差异 显著，缺乏点阵结构设计-制造-评价体系以满足多 场耦合环境下的性能匹配需求。

4、结论与展望

大型点阵结构因其轻质高强、多功能耦合等优势，在航空航天、海洋工程、建筑等重点领域展现 出广阔的应用前景。增材制造作为突破传统制造方 式的重要手段，使复杂点阵结构的整体成形成为可 能，在推动新一代轻量化与功能集成结构发展方面 发挥着关键作用。当前，国内外针对大型点阵结构 的制造工艺、装备系统及其典型应用已取得了一定研究进展，尤其在桁架类点阵结构、夹芯结构制备 等方面显示出独特潜力。然而，现有点阵增材制造 体系在成形质量、成形稳定性、装备集成化程度及 应用规范化方面仍存在诸多挑战。未来需进一步聚 焦以下几个关键发展方向，以推动大型点阵结构增 材制造技术向实用化、工程化迈进。

(1)提升点阵增材制造工艺可控性与稳定性。 点阵结构的力学性能高度依赖其几何拓扑与尺度分布，而大型点阵构件在制造过程中易出现部分点阵 胞元几何畸变、节点不连续等问题，影响整体性能。 未来应加强对不同尺度下点阵单元设计与制造参数 的耦合机制研究，提升工艺稳定性，保障结构的完 整性与一致性。另外，基于目前熔丝增材制造点阵 成形精度不高等技术难题，引入激光增材制造精细 化的优势，结合光束整形技术进行熔池调控，推动 点阵结构增材制造向大型化，精密化共同发展。

(2)推动多热源制造装备与控制系统集成发展。当前点阵结构的多热源增材制造往往依赖多台 设备协同运行，或者多弧并行固定式简单逻辑调控 运行，存在控制系统分散、集成度低、反馈调节困 难等问题，影响大型点阵结构整体制造效率与稳定性。应发展集工艺规划、路径控制、成形反馈于一 体的高度集成化智能制造平台与控制系统，提升多 热源装备的智能化水平与柔性适应能力。

(3)建立应用导向的点阵结构设计方法与评价体系。点阵结构在不同应用场景中的力学需求差异 显著，现有设计方法与评价标准难以满足多场耦合 环境下的性能匹配需求。应结合抗冲击、洋流环境与抗腐蚀等具体工程场景，构建相应的点阵结构设 计方法、失效准则与服役寿命预测模型，为大型点 阵结构设计与工程应用提供理论依据与标准支撑。

(4)探索功能梯度与多材料点阵结构制造新路径。面向复杂服役环境，单一材料与均匀结构难以 满足多重功能协同要求。未来应进一步探索多材料、 功能梯度点阵结构的构建策略，开发匹配的新型增 材制造工艺与装备系统，实现结构与功能一体化的 高性能制造模式。

参 考 文 献

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作者简介：徐田秋，男，1995 年出生，博士。主要研究方向为激光增材制造方法、电弧增材制造大型点阵结构、激光光束整形和成像技术和熔池动力学建模与仿真方法。

E-mail：tianqiu.xu@polimi.it

刘长猛(通信作者)，男，1988 年出生，博士，教授，博士研究生导师。

主要研究方向为多能束熔丝并行增材制造控形控性机理与方法、控制系统与智能装备。

E-mail：liuchangmeng@bit.edu.cn

（注，原文标题：大型点阵结构增材制造技术与进展）

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