前言

點陣結構(Lattice structures)是一類由基本幾何胞元周期性排列、通過組成胞元的桿元相互連接構成的多孔結構體系。該結構具有輕質高強、高比吸能、抗沖擊，減震降噪等特性，在航空航天、生物 醫學、建筑工程及先進制造等領域展現出廣泛的應 用前景[1-3]。根據結構尺度的不同，點陣結構通常可 劃分為精密點陣結構與大型點陣結構兩大類。前者 主要指微米至毫米量級的小尺寸結構，廣泛應用于 功能性微結構器件與個性化植入體的制造；而后者 則涉及厘米至米甚至千米級的中大型結構，大型點 陣結構正逐步在大型裝備減重、吸能構件設計及多 功能復合結構開發等方面展現出巨大潛力，如圖1所示。研究表明，采用等體積的鋼點陣夾芯板材替 代傳統的實體板材，其重量可減輕30%，同時兼具 減震降噪等功能特性，在大型船舶輕量化設計與制 造方面有廣闊應用前景。

然而，點陣結構的制造方法與技術一直是制約點陣結構實際應用的重要難點。由于高孔隙率以及 空間復雜的幾何約束，目前面向點陣結構的制造方法主要可分為：以沖壓折疊法、熔模鑄造法等為代 表的傳統制造方法和以“材料堆積成形”為特點的 增材制造方法。

熔模鑄造法是能夠實現點陣結構/夾芯結構一體化成形的傳統制造方法。早期DESHPANDE和WADLEY等[4]通過該工藝來制備金屬點陣，并且成 功制備出鋁合金八面體胞元構型。該方法利用典型 鑄造工藝，通過預先設計點陣結構澆筑模具，然后 進行點陣夾芯結構的一體化鑄造成形[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 相對繁瑣，對于特定的點陣構型需要單獨設計結構 模具，制造效率較低。沖壓折疊法也是一種傳統的 點陣結構制造方法，其原理是首先需要用特定形狀 的模具在板材上進行沖壓，在板材表面獲得特定的 平面二維網狀結構[6]。然后通過后續模具對二維網 狀結構進行沖壓折疊獲得點陣芯層，制造過程自動 化程度高且工序簡單，加工周期較短。然而由于沖 壓過程導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]等傳統制造方法目前均可以實現點陣結構的制造， 但總體存在制造周期長，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，是近年來先進制造技術的代表之一。該 技術基于“離散+堆積”原理，可以實現復雜結構設 計制造一體化，與傳統點陣制造方法相比，具備“材 料堆積成形”的制造特點，尤其適合制造具備空間 復雜構型的點陣結構。增材制造方法目前已經成功 應用于合金鋼、鈦合金、鋁合金等多種常見金屬材 料點陣的制備[10]。根據原材料的形式，可以將金屬 點陣的增材制造方法分為兩類：鋪粉式增材制造和 熔絲式增材制造。根據熱源的能量不同，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(Laser powder bed fusion，LPBF)是當前制備精密微 小尺寸點陣結構的常用技術。該技術憑借其卓越的成形精度、復雜結構制造能力以及高材料利用率等 優點，在精密點陣結構的制備中得到了廣泛應用。 精密點陣結構由于其輕量化、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 醫療及工程結構等多個領域[11]。航空航天工業借助LPBF點陣結構的輕量化優勢用于制造飛機結構 件和火箭零部件；醫療領域則用于定制化骨科植 入物與牙科支架；汽車行業則在能源吸收、熱管 理部件中大量采用點陣結構。此外，新興的微結 構器件和功能梯度材料設計，也展示了LPBF制 造點陣在微尺度加工方面的潛力。然而，LPBF設備的成形尺寸通常受限于構建腔體的物理限 制，其制造效率和構件尺寸在面對大型或超大型 點陣結構時受到制約。另外，由于設備成本，粉 末原材料成本等原因，大型點陣結構整體制造成 本較高，無法滿足大型點陣結構對高生產效率與 成本控制的需求。

為克服這一限制，近年來，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陣結構的有 力補充。WAAM是一種基于電弧熔化金屬絲逐層 堆積的增材技術，具有沉積效率高、設備成本低 和理論上可成形任意尺寸構件等顯著優勢。特別 是在制造大型點陣構件時，WAAM可以在較短周 期內完成結構搭建，大幅提高制造效率，并降低 生產成 本。 通過工藝路 徑設計 與參 數優化，WAAM同樣可以實現周期性、可調控的空間結構 排列，從而形成具有力學和功能特性的點陣結構。 在應用前景方面，WAAM制備的大型點陣結構適用于航空航天中的大型支撐構件、軌道交通和海 洋工程中的大型輕質承載結構，以及需要個性化 設計的大型工業產品原型。

盡管WAAM相比LPBF在尺寸和成本上具備 明顯優勢，但其在成形精度、表面質量以及點陣 桿元細節精度控制方面仍存在不足，尤其是在微尺度點陣構造方面難以達 LPBF的加工精度，無法 保證點陣胞元結構和性能一致性。因此，未來的大 型點陣結構制造從高效化向高精度化發展是一個明顯的趨勢。對大型點陣結構增材制造技術方法進行 梳理和總結，進一步發掘增材制造大型點陣結構的 應用潛力具有重要意義。

本文對大型點陣結構增材制造方法進行了簡要 概述；并從制造工藝、裝備和應用場景三個方面總 結了目前的相關研究成果；最后對增材制造大型點 陣結構未來的發展方向進行了展望。

1、大型點陣結構增材制造工藝

1.1電弧增材制造技術原理與分類

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，在惰性氣體的保護環境中按照 預設的軌跡進行逐層沉積，直至形成所需零件。根 據熱源性質的不同，電弧增材制造主要分為三種類 型[12]：以熔化極惰性氣體保護焊(Gas metal arc welding，GMA)為原理的WAAM-GMA，以鎢極惰 性氣體保護焊(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的原理見圖2a，通過焊槍中的鎢極尖端放電，使基板和鎢極尖端之間產生電弧，金屬絲按照一定的送絲速度送入電弧區域后熔化成熔 滴，熔滴下落后凝固形成沉積層，隨著沉積過程的 進行，焊槍沿著預定軌跡不斷進行移動，逐層堆疊 最終完成零件的制備。WAAM-GTA的特點是電弧 相對穩定，側向送絲一定程度上能減少熔滴飛濺， 但其送絲模式可能會導致裝備出現幾何干涉。

WAAM-GMA的原理見圖2b，與WAAM-GTA不同，其電極既是熱源，又是成形所需材料，通過 金屬絲尖端與基板之間產生電弧，同時金屬絲以一 定的送絲速度向下移動，與基板接觸形成熔滴，并過渡到基板上，隨著沉積過程的進行，焊槍移動導 致沉積層堆疊，最終完成制造過程。WAAM-GMA的特點是存在較為嚴重的熔滴飛濺現象，電弧穩定 性較差。此外，為了減少焊接過程的熱輸入，降低 飛濺量，奧地利Fronius公司基于GMA的短路過渡過程開發了目前廣泛應用于焊接領域的冷金屬過渡(Cold metal transfer, CMT)工藝方法，其技術原理如 圖2c所示。與GMA原理類似，絲材作為熔化極， 產生電弧并形成熔滴，熔滴與熔池接觸發生短路， 電弧熄滅，電流減小，CMT系統便控制金屬絲回抽 導致熔滴脫落，此時金屬絲回到初始位置，電弧重 新引燃，如此循環往復，最終實現零件的制造[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態行為穩定等優勢。但該技術仍的工藝參數調節范圍較窄、壽命噴嘴短及熱 輸入較大等缺點。

由于電弧增材制造在制備大尺寸結構件方面低 成本高效率的優勢，對于大型點陣結構，電弧增材制造近年來在點陣制造領域逐漸成為熱點之一。

1.2大型點陣結構增材制造工藝方法

目前米級大型點陣結構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。根據制造后樣件的幾何特征進行分 類，主要有基于桿元-桿元相連接的桁架類點陣結 構，標準幾何構型的點陣結構(如金字塔構型，四面 體構型等)以及點陣夾芯結構國內外主要研究團隊與相應的大型點陣研究成 果簡述如表1所示。

表 1 國內外大型點陣結構增材制造工藝方法、點陣類型與研究重點

如表1所示，目前針對大型點陣的研究主要集中于冷金屬過渡熔化極電弧熔絲工藝(WAAM-CMT)。制造的點陣結構幾何拓撲主要由桿 元構成的類桁架結構。CMT工藝在點陣結構增材制 造方面應用廣泛，主要的工藝特征是“息弧-冷卻 起弧-息弧”循環沉積工藝。如圖3所示。

法國蒙彼利埃大學的RADEL等[13-14]采用WAAM- CMT方法制造了桁架類點陣結構，利用計 算機輔助制造技術提出了一種逐點自動制造復雜空 間桁架結構的制造策略。該研究制造設備采用六自 由度的工業機器人，工作臺保持固定，能夠制造0°～90°的空間桿件，最終的桁架結構與預設模型 符合度較高，如圖4a所示。英國帝國理工學院的YE等人聯合荷蘭MX3D，針對空間金屬桁架結構， 設計了幾何優化算法來確定優化元素的拓撲結構， 同時進行截面優化以獲得符合WAAM約束的圓管 狀桿件截面，最后通過WAAM-GMA方法制造計算 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利用多軸焊接機器人，首次提 出通過WAAM-CMT方法制備空間網狀點陣結構的 制造工藝，如圖4c所示。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院SILVESTRU等[19,38]面向建筑結構創新設計的項目中，采用CMT技術 將相鄰的兩個金屬桿元進行增材連接，如圖4d所 示。其連接區域的形貌為電弧增材制造的金屬空間 桁架類結構。在實驗中采用熔滴逐點調控方法進行 桿元制造，并針對焊槍在連接過程中的沉積路徑進 行了優化。意大利博洛尼亞大學的LAGHI等[16,39]在和MX3D的合作項目中探索了新型無支撐WAAM“dot-by-dot”技術制造不銹鋼網狀骨架結構， 該結構作為創新建筑結構設計應用在新概念建筑支 柱中。研究者基于材料性能、制造特性和建筑設計 等各個方面，通過多軸機器人在固定的金屬基板上 采用WAAM- CMT方法成功制造出網狀結構。該結 構為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的增材制造研究團隊[20-21]對空間桿件結構制造領域進行了探索，提出了針對 于骨架類結構的增材制造工藝，通過構建熔滴參數 模型，優化實際沉積路徑和成形工藝，實現了WAAM- CMT制造空間桿元，如圖5a所示。該團 隊對于多角度桿件制造工藝與路徑策略方面也進行 過相關研究，采用WAAM-CMT方法制備了30°～70°的傾斜金屬桿，并通過沉積策略實現了曲線型 桿件的制造，最后通過驗證工藝可靠性制造了空間 的立方體結構[22,23]，如圖5b所示。

桁架類結構作為點陣制造的前期研究基礎，主 要探索不同傾斜角度桿元的成形工藝，在此基礎上， 實現了電弧增材制造大尺寸標準幾何點陣結構，目 前主要以金字塔結構為主，日本埼玉大學(圖6a)， 天津工業大學(圖6c)等研究者在金字塔點陣結構制 造工藝方面進行了初步嘗試。WAAM制造空間桿元 的研究為制造大尺寸點陣結構提供了基本研究策略 和制造工藝，面向金屬點陣的制造過程、成形機理 以及相關性能的研究是現階段增材制造領域的熱點 之一。華中科技大學研究團隊[26-31]采用WAAMCMT方法，通過多軸焊接機器人實現了鋁合金多角 度傾斜桿件和大型多層點陣結構的制造(圖6d)，并 進一步實現了在圓柱曲面上的 點 陣 結構 制 造(圖6e)。

WAAM-CMT“息弧-冷卻-起弧”工藝極大程度 的突破了制造過程的幾何與自由度限制。然而，對于大尺寸應用型點陣構件的制造，當尺寸達到十米 級以上時，WAAM-CMT工藝由于長的層間冷卻時 間，制造效率和制造成本逐漸成為不可忽視的影響 因素。

針對制造效率和制造成本帶來的超大型點陣結 構成形問題，近年來通過WAAM-GTA實現點陣制 造逐漸成為熱點。北京理工大學增材制造研究團隊[33-37, 40]在無支撐金屬桿件增材制造工藝的基礎 上，提出了采用WAAM-GTA方法進行大尺寸金字 塔形金屬點陣結構電弧增材制造新思路。其制造過 程遵循“熔滴形成-熔滴過渡-熔滴下落-沉積結束” 的循環過程，如圖7所示。WAAM-GTA工藝通過 脈沖電流模式，實現金屬桿件不熄弧的連續沉積， 提升了制造效率。另外金屬絲通過電阻加熱可以進 一步減小電弧熱輸入從而保證質量。該工藝方法通過三軸機床帶動焊槍完成制造，目前已經制備了多 材料合金大型點陣結構。進一步地，該團隊實現了 大型點陣夾芯結構的制造，其脈沖熱絲增材制造技 術能夠實現大型點陣的高效低成本制造，如圖8所 示。非熔化極電弧相對更穩定，有利于減少熔滴過 渡過程飛濺的形成，提升點陣桿元成形質量。

隨著點陣桿元增材制造工藝研究不斷深入，考 慮到大型點陣結構胞元數量大，周期性強的特點， 通過多熱源協同或者多熱源并行的工藝方法進行高 效點陣制造，成為增材制造領域新的探索與嘗試。 華中科技大學研究團隊以WAAM-CMT工藝為基 礎，采用多個焊接機器人協同制造的模式[27]，能夠 實現大型結構件的分區域成形，且多個焊接機器人 自由度疊加后降低了大型化點陣的制造難度，如圖9a、9c所 示 。 北 京 理 工 大 學 研 究 團 隊 以WAAM-GTA脈沖熱絲工藝為基礎，采用陣列式多弧 并行制造模式，開發了多弧并行高效制造工藝[35]。與 多弧協同CMT相比，其焊槍陣列式固定排列，以三 軸機床為主體，適合制造大型點陣結構板材等標準 構件，目前通過多弧并行工藝制造了大型鈦合金多 層點陣夾芯板，如圖9b、9d所示。

當前大型點陣結構增材制造工藝以WAAM為 主導，其中WAAM-CMT工藝因其“息弧-冷卻-起 弧”循環特性成為桁架類點陣制造的主流選擇，而WAAM-GTA脈沖熱絲工藝在超大型點陣高效制造 中展現出獨特優勢。但現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-工藝參數映射 數據庫。多熱源協同制造工藝有望進一步提升制造 效率，但多熱源制造的工藝規劃、路徑控制、質量 一致性等問題需進一步探究。

2、大型點陣結構增材制造裝備

增材制造裝備是實現大型點陣高效成形的載 體，在點陣結構件生產中的作用不可忽視。面向點 陣結構的增材制造裝備發展是增材制造領域裝備設 計開發過程中一個新興的研究方向，考慮到制造點 陣結構的復雜度以及成形零件的專用性，大型點陣 結構增材制造裝備的開發環節目前主要集中在裝備 主體結構研發以及控制系統研發方面。當前主要的面向點陣結構的增材制造裝備以工業機器人和機床為主體結構。

2.1裝備結構

(1)工業機器人+旋轉工作臺。

點陣結構的幾何復雜度較高，通常由空間桿元 交錯排列。在直角坐標系下由于桿元與平面呈現傾斜角度，熔池在堆疊過程中由于角度的存在容易發生傾覆和塌陷，這對于裝備結構提出了較高要求， 即如何減少因角度存在產生的熔池塌陷現象。目前， 多采用工業機器人作為主體，配合多自由度旋轉工 作臺，通過機器人和工作臺的協同位姿配合，能夠 進行坐標系轉化，使傾斜制造模式轉變為豎直制造 模式，保證了熔滴始終處于有支撐狀態，這種結構 配置在WAAM-CMT工藝的點陣結構制造領域應用 非常普遍。

英國帝國理工學院研究者在大型桁架類點陣結 構制造過程中，采用的制造設備是多軸工業焊接機 器人與六自由度的工作臺[15]，在整個制造過程中由 于工作臺旋轉，桿件沉積方向實際是保持在豎直(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 制造過程如圖10a所示。埃及開羅美國大學[41]采用 同樣的裝備配置，通過多自由度工作臺和焊槍協同 移動制造桁架類點陣，如圖10b所示。澳大利亞伍 倫貢大學(圖10c)和華中科技大學(圖10d)研究者均 采用兩自由度工作臺和六軸機器人，前者用于制造 空間構型桿件，后者用于制造曲面點陣結構。

(2)工業機器人+固定工作臺。

以WAAM-CMT工藝為主的增材制造工藝大部分采用機器人和多自由度轉臺的方式進行制造，雖然能夠最大程度簡化由于桿元空間位姿帶來的加工困難，但是在成本考量和結構件尺寸重量方面，旋 轉式工作臺的剛度和強度有極限，因此目前以工業 機器人為裝備主體，采用固定式工作臺的制造方法， 成為了部分增材制造團隊在圍繞低成本制造時的最 佳選擇。

意大利博洛尼亞大學[42-45](圖11a)和米蘭理工 大學[24](圖11b)的研究團隊均采用此裝備配置，基 板固定于工作臺，實現鋁合金桁架類點陣結構制造。 天津工業大學(圖11c)基于此裝備結構開發的CMT沉積工藝能夠實現焊槍水平移動帶動熔滴水平沉積 制造懸空桿元[32]。WU等[46]提出機器人骨架電弧增 材制造方法，通過固定焊槍與移動工作臺協同控制， 成功制備鋁合金金字塔點陣結構。該研究創新性地 采用三軸運動系統替代傳統轉臺旋轉方案，使制造 效率提升200%，實驗表明該方法可實現50 mm尺度晶格單元制造，為大型空間結構提供新工藝路徑， 但受限于單焊槍作業模式。

(3)機床+固定工作臺。

工業焊接機器人是目前電弧熔絲增材制造裝備 最常用的主體機械結構，然而，對于工業機器人相 對成本較高，導致裝備成本占點陣制造全周期成本 比重較大，不利于大型點陣結構批量化生產。因此 面向大型點陣的低成本制造裝備，尤其是國產化裝備，成為近年來國內增材制造領域發展的重點之 一。北京理工大學研究團隊[33-37]基于原創的脈沖 誘導熱絲電弧增材制造點陣成形工藝，研發的大 型電弧增材制造裝備以三軸數控機床為主體，機 床固定平面工作臺可以有效實現大重量合金材料 點陣結構/夾芯結構制造。通過固定焊槍位置，控 制點陣桿元制造過程中工藝變量，最終實現多角 度桿件的懸空制造，具有低成本，高生產效率的 優勢，如圖12所示。

(4)多熱源增材制造裝備。

大型點陣結構對于制造效率有著較高的需求， 這同樣對于裝備設計和制造模式設計是一個全新的挑戰。目前大型點陣結構增材制造裝備主要以CMT焊接機器人為主體的“多機器人協同增材制造”裝 備，和以GTA機床為主體的“多弧并行增材制造” 裝備。

華中科技大學研究團隊[26-27]采用多個工業機器 人，搭建了包含增材制造單元，測量單元和減材制 造單元的復合增材制造裝備，其中增材制造單元的工業機器人頭部集成了5個焊槍，能夠實現5電弧 同時制造，提升了制造效率，進而實現多弧增減復 合制造，如圖13所示。在實際制造過程中，首先通 過增材單元的多弧模式進行材料沉積，增材完成后， 沉積樣品通過無損檢測，最后進行減材加工以去除 加工余量滿足尺寸要求。北京理工大學團隊采用其 自主研發的多弧并行增材制造裝備，以點陣板材/夾芯結構板材為制造目標，以三軸機床為主體，設 計研發了10弧(圖14a)，16弧(圖14b)和40弧(圖11c)點陣高效增材制造裝備，并首次完成了十米級大型 合金鋼點陣結構板材制備(圖14d)。多弧并行增材制 造技術作為高校類唯一代表性科技成果被京津冀聯 合辦推薦入選京津冀協同發展十周年成果，于中央 電視臺專題報導，CCTV1播出(紀錄片第二集)[47]。 該團隊研發的40弧大型電弧增材制造裝備是當前 國內最大的金屬3D打印裝備[47-50]。

2.2控制系統

空間桿元作為組成點陣結構最小的基本單元， 其制造質量與精度顯著影響點陣結構的整體性能。 為了獲得高精度的桿元，控制和優化增材制造工藝參數至關重要。與薄壁零件相比，桿元的增材制造 需要嚴格控制熱輸入，由于每個微小熔池都是一個沉積層，熔池的擾動與狀態決定沉積層的沉積質量。 因此點陣結構的制造對于增材制造控制系統的要求 更高。目前針對點陣桿元的制造，按照控制方式分 為手動控制和自動控制兩大類。

ABE等[25]使用高速攝像機評估熔池幾何形狀， 研究熔滴直徑、層高和各種工藝參數之間的關系。LI等[51]開發了一種高速成像系統，該系統集成了熱 像儀和激光器，用于測量增材制造過程中的熔滴和 成型桿元的幾何參數，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 是通過手動控制后處理獲得的。其控制過程變量具 有隨機性，阻礙制造效率的進一步提升。

由于WAAM是一個多參數耦合過程，很難通 過工藝參數間接監測桿元的幾何形狀。因此，研究 人員采用了視覺傳感器來自動監測零件的形成，進 而開展自動控制研究。XIONG等[52-54]提出了一種被 動視覺傳感系統，該系統將攝像頭與復合過濾技術 相結合，用于實時監測熔池高度、寬度和噴嘴與頂 面之間的距離。ZHAO等[55]探索了工業相機對熔池 發出的自發輻射的相對強度響應，捕捉了具有豐富 細節的高質量圖像。現有的熔池監測技術相關研究 表明，點陣桿元在變量調控過程中，優先考慮弧長(電弧長度)，而往往忽略桿元的幾何尺寸和表面質 量。雖然保持適當的弧長對于避免熔池塌陷或預防 飛濺等問題至關重要，但桿元的幾何特征影響點陣 整體性能，因此，增材制造點陣結構中桿元原位監 測技術需要進一步提升。基于上述考慮，LUO等[56]開發一種自動監測方法，如圖15所示，利用熔池面 積作為研究區域(Regions of interest, ROI)，以提高桿 元輪廓重建的準確性，同時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際輪廓進行 比較，從重建的剖面中提取關鍵幾何特征，包括傾 角和直徑，以便于WAAM過程中進行實時監測和 控制。研究表明其所提出的桿元輪廓重建方法表現 高精度和強魯棒性。

LE等[57]開發了基于卷積神經網絡的熔池邊界 實時預警系統。研究采用Grad-CAM算法實現特征 可視化，在激光粉末床熔融工藝中達到熔池分割精 度±0.05 mm。該成果熔池監測提供了圖像處理范式 借鑒，但未解決強光照干擾下的測量失真問題。

MAO和JING等[58-59]發展了多弧并行無支撐增材制造技術，可以在無需旋轉打印頭的情況下，通 過三軸運動實現無支撐點陣結構的打印。但是，這 也帶來了多打印頭的質量一致性難題。針對這一問 題，SI等[60]在提出了一種面向無支撐點陣結構制造 的智能控制系統，如圖16所示。該方法創新性地將 機器視覺(基于EEM編碼的超分辨率跟蹤)與自適應 模糊控制相結合，通過異常光照識別(分類器精 度>98%)和占空比動態調節，實現了傾斜45°桿件 中心線誤差0.084 mm的精密成形(較開環控制提升72%)。作者特別針對大型工業設備特性，開發了低 成本視覺監測方案，在無支撐點陣結構并行制造中 展現出顯著優勢，為航天/船舶領域大尺寸金屬增材 制造提供了新的質量控制范式。目前該技術已經應 用在40弧并行增材制造裝備上，實現了多打印頭的 質量一致性控制。

現有裝備結構主要分為“機器人+固定/旋轉工 作臺轉臺”與“機床+固定固定臺”兩大類，工業機 器人系統在復雜點陣制造中靈活性突出，而三軸機 床系統在低成本批量化生產方面具有潛力。多機器 人協同和多弧并行等多熱源裝備的提出，將制造效 率進一步提升，但存在成形質量一致性不足等問題。 通過熔池監測和圖像分析，并作為輸入應用于智能 控制系統，有望實現高精度、智能化成形。

3、增材制造大型點陣結構應用場景

隨著大型點陣結構增材制造技術的不斷成熟， 其在復雜結構件設計與高性能制造中的應用日益廣 泛。尤其在結構輕量化、環境適應性及功能集成方 面，點陣結構展現出傳統實體結構所不具備的獨特 優勢。結合增材制造技術的空間自由度與多尺度控 制能力，大型點陣結構正逐步應用于輕量化裝備、 海工裝備以及新型海洋基建等重點工程領域。

3.1輕量化裝備

在國家重大裝備防護結構設計方面，實心金屬 板材被廣泛應用于裝甲車輛防護等功能組件中，但其重量大、壓縮使用空間，影響戰場機動性，已逐 漸難以滿足現代戰爭非對稱模式下對裝備高性能輕 質結構的需求。增材制造大型點陣夾芯板作為新興 的輕量化結構，有望成為代替傳統結構的最佳選擇。 其不僅能夠實現顯著的減重，還在保證整體剛度與 強度的同時提升了沖擊吸收與能量耗散能力。

研究表明，采用金屬點陣作為夾芯層，可以在 單位重量下提供更高的比剛度和比強度。例如，航空航天器的蒙皮支撐、導彈殼體、軌道交通構件等 均可利用點陣夾芯板結構進行替代，在不降低結構 可靠性的前提下，顯著降低系統自重。增材制造在 其中的應用使得點陣單元的幾何尺寸、密度分布和 拓撲形式能夠按需定制，為多目標優化設計提供技 術支撐，是推動大型輕量化裝備性能躍升的關鍵手段。

3.2海工裝備

海工裝備在服役過程中面臨強腐蝕、高沖擊和 復雜波浪載荷等多重極端工況，對結構強度與耐久 性提出更高要求。點陣結構因其高度可調的拓撲形態和多尺度力學響應能力，在提升裝備適應性方面 具有天然優勢。通過增材制造技術構建的金屬點陣框架，可顯著提高關鍵部件的結構穩定性與抗疲勞 性能，同時降低局部應力集中風險。

當前，點陣結構在海工領域的應用前景主要集 中于如水下浮力模塊、浮式平臺連接構件、減振隔 離結構等關鍵部位。增材制造賦予設計工程人員更 大的自由度，可實現多材料集成與結構梯度變化， 在保持構件整體連續性的基礎上，局部強化目標性能，提升裝備在長周期運行下的可靠性。此外，點陣結構特有的內部孔隙特征，有助于減輕整體重量 并增強吸能能力，為深海裝備提供更強的抗沖擊與 緩沖保護功能。

3.3海洋基建

海洋基建結構需兼顧承載性能、耐久性以及對復雜海洋環境的適應能力。近年來，一種新型的鋼 板-點陣夾芯-混凝土復合結構逐漸成為深遠海建筑領域的研究熱點。該結構由上下鋼板、中間點陣支撐層和填充混凝土組成，通過點陣結構的幾何支撐 作用有效改善傳統混凝土結構易開裂、疲勞性能差 的問題，同時實現結構的高強、輕質和高韌性協同。

點陣夾芯層在其中發揮核心作用，其拓撲形態可依據受力路徑進行優化設計，實現局部增強與整 體穩定性的統一。尤其是點陣桿元表面凹凸金屬層 可以擴大其與混凝土的結合面積，因此其尺寸精度 要求較低，增材制造點陣可以滿足這一特定需求。 該類結構可廣泛應用于深海千米級平臺、浮動碼頭 結構、水下棧橋支撐系統等大型建筑構件。通過增 材制造直接構建點陣支撐層，不僅提升了制造精度與一致性，還可根據具體環境負載進行結構參數調 整，增強結構的服役適應性與維護可達性。同時， 開放式孔隙結構亦為生物附著和人工生態系統的構建提供了條件，有助于推動海洋基建的綠色發展和 生態友好型設計。

點陣結構在輕量化裝備、海工裝備及海洋基建 三大領域展現出應用潛力。但當前工程案例多限于實驗室尺度，缺乏米級構件服役驗證數據；另外， 點陣結構在不同應用場景中的力學和功能需求差異 顯著，缺乏點陣結構設計-制造-評價體系以滿足多 場耦合環境下的性能匹配需求。

4、結論與展望

大型點陣結構因其輕質高強、多功能耦合等優勢，在航空航天、海洋工程、建筑等重點領域展現 出廣闊的應用前景。增材制造作為突破傳統制造方 式的重要手段，使復雜點陣結構的整體成形成為可 能，在推動新一代輕量化與功能集成結構發展方面 發揮著關鍵作用。當前，國內外針對大型點陣結構 的制造工藝、裝備系統及其典型應用已取得了一定研究進展，尤其在桁架類點陣結構、夾芯結構制備 等方面顯示出獨特潛力。然而，現有點陣增材制造 體系在成形質量、成形穩定性、裝備集成化程度及 應用規范化方面仍存在諸多挑戰。未來需進一步聚 焦以下幾個關鍵發展方向，以推動大型點陣結構增 材制造技術向實用化、工程化邁進。

(1)提升點陣增材制造工藝可控性與穩定性。 點陣結構的力學性能高度依賴其幾何拓撲與尺度分布，而大型點陣構件在制造過程中易出現部分點陣 胞元幾何畸變、節點不連續等問題，影響整體性能。 未來應加強對不同尺度下點陣單元設計與制造參數 的耦合機制研究，提升工藝穩定性，保障結構的完 整性與一致性。另外，基于目前熔絲增材制造點陣 成形精度不高等技術難題，引入激光增材制造精細 化的優勢，結合光束整形技術進行熔池調控，推動 點陣結構增材制造向大型化，精密化共同發展。

(2)推動多熱源制造裝備與控制系統集成發展。當前點陣結構的多熱源增材制造往往依賴多臺 設備協同運行，或者多弧并行固定式簡單邏輯調控 運行，存在控制系統分散、集成度低、反饋調節困 難等問題，影響大型點陣結構整體制造效率與穩定性。應發展集工藝規劃、路徑控制、成形反饋于一 體的高度集成化智能制造平臺與控制系統，提升多 熱源裝備的智能化水平與柔性適應能力。

(3)建立應用導向的點陣結構設計方法與評價體系。點陣結構在不同應用場景中的力學需求差異 顯著，現有設計方法與評價標準難以滿足多場耦合 環境下的性能匹配需求。應結合抗沖擊、洋流環境與抗腐蝕等具體工程場景，構建相應的點陣結構設 計方法、失效準則與服役壽命預測模型，為大型點 陣結構設計與工程應用提供理論依據與標準支撐。

(4)探索功能梯度與多材料點陣結構制造新路徑。面向復雜服役環境，單一材料與均勻結構難以 滿足多重功能協同要求。未來應進一步探索多材料、 功能梯度點陣結構的構建策略，開發匹配的新型增 材制造工藝與裝備系統，實現結構與功能一體化的 高性能制造模式。

參 考 文 獻

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作者簡介：徐田秋，男，1995 年出生，博士。主要研究方向為激光增材制造方法、電弧增材制造大型點陣結構、激光光束整形和成像技術和熔池動力學建模與仿真方法。

E-mail：tianqiu.xu@polimi.it

劉長猛(通信作者)，男，1988 年出生，博士，教授，博士研究生導師。

主要研究方向為多能束熔絲并行增材制造控形控性機理與方法、控制系統與智能裝備。

E-mail：liuchangmeng@bit.edu.cn

（注，原文標題：大型點陣結構增材制造技術與進展）

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