電弧增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

徐田秋， 敬晨晨 ， 毛 昊， 李 坤， 韓 驍， 魯 濤， 馬樹元 ， 劉長(zhǎng)猛

1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 國(guó)土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

0 前言

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是擁有某種具體空間構(gòu)型的金屬胞元按照一定規(guī)則周期性排列的一種輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)，在航空（飛行器主承力結(jié)構(gòu)）、航天（衛(wèi)星支架）、航海（船舶艙室）和車輛（抗爆底板）等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是具有不同幾何拓?fù)涞奈⒔Y(jié)構(gòu)和高孔隙率，因而具有優(yōu)良的功能特性，如高比強(qiáng)度、高比剛度、抗爆炸沖擊、減震、降噪、隔熱等［4-7］。然而，現(xiàn)階段傳統(tǒng)的制造方法（鑄造、鍛造、傳統(tǒng)減材加工等）對(duì)于制備復(fù)雜構(gòu)型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)較為困難，存在制造周期長(zhǎng)、制造成本高、工序復(fù)雜、成形構(gòu)型有限等問(wèn)題，因此無(wú)法在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行批量生產(chǎn)制造，也制約了金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）基于“離散+堆積”原理，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和近凈成形制造，被美國(guó)麥肯錫咨詢公司列為“決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)的十二大顛覆技術(shù)”之一［8-9］。其制造特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)多自由度空間復(fù)雜幾何形狀結(jié)構(gòu)的制造，為精確成形復(fù)雜三維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提供了可能，并簡(jiǎn)化了加工工藝。因此，AM能夠?yàn)榻饘冱c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造提供新的技術(shù)手段和工藝可行性。

增材制造根據(jù)熱源不同可以分為高能束增材制造（激光、電子束）和電弧增材制造［10-12］。近年來(lái)隨著增材制造技術(shù)的普及和應(yīng)用，以高能束為熱源的增材制造方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的成形。Mazur［13］等人采用激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)對(duì)多角度的懸空金屬桿件的制造工藝進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造，然而存在制造角度極限，最小可制造角度極限是20°，且在0°～20°范圍內(nèi)制造桿件必須添加支撐結(jié)構(gòu)且無(wú)法徹底去除支撐結(jié)構(gòu)，增加了工藝復(fù)雜度。Zhang等人［14］通過(guò)電子束選區(qū)熔化（Selective Electron Beam Melting，SEBM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈦合金多角度懸空桿件結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造，但是低沉積角度（桿與水平面夾角小于25°）會(huì)導(dǎo)致桿件變形。現(xiàn)有研究成果表明，高能束增材制造以“高能束+粉末”的方式實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)、毫米級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化制造，但仍然存在制造效率不高、低角度結(jié)構(gòu)制造高度依賴支撐、金屬粉末等原材料以及設(shè)備成本高昂、成形艙尺寸限制其無(wú)法制備米級(jí)大尺寸結(jié)構(gòu)等諸多局限。因而對(duì)于工業(yè)級(jí)的大規(guī)格、大尺寸點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，仍然迫切需求能夠突破上述局限的新制造方法和技術(shù)。

電弧增材制造技術(shù)（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以電弧為熱源，絲材為基材的金屬增材制造技術(shù)，最早追溯到1925年美國(guó)Baker等人利用電弧為熱源，采用絲材熔化逐層堆積的方式成形金屬構(gòu)件［15-16］。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，WAAM技術(shù)具有中高程度的沉積效率，與金屬粉末相比，絲材成本低、材料利用率較高，且不受成形環(huán)境的限制，非常適用于制備大型結(jié)構(gòu)件。因此，WAAM有望成為金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵制造技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的制造策略與沉積工藝研究，WAAM金屬點(diǎn)陣相關(guān)的制造工藝與機(jī)理未來(lái)必將成為新興研究熱點(diǎn)之一。

本文對(duì)電弧熔絲增材制造的空間桿結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成形工藝的相關(guān)研究進(jìn)展與制造特點(diǎn)進(jìn)行論述，重點(diǎn)討論不同類型的WAAM金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)工藝研究現(xiàn)狀與相關(guān)成形控制難題，對(duì)WAAM金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期推進(jìn)WAAM金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)向高沉積效率、高成形精度、高制造規(guī)模方向發(fā)展。

1 電弧增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)原理

電弧增材制造以電?。ɑ虻入x子?。┳鳛闊嵩?，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型：以熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Gas metal arc welding，GMAW）為原理的WAAM-GMAW，以鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Gas tungsten arc welding，GTAW）為原理的WAAM-GTAW，以等離子電弧焊（Plasma arc welding，PAW）為原理的WAAM-PAW，如圖1所示。

圖1 電弧增材制造原理與分類Fig.1 Principles and classification of wire arc additive manufacturing

WAAM-GTAW的原理見圖1a，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，當(dāng)金屬絲按照一定的送絲速度送入電弧區(qū)域后熔化形成熔滴，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)，沉積層也逐次堆疊最終完成零件的制備。WAAMGTAW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-GMAW的原理見圖1b，與WAAM-GTAW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-GMAW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。為了解決熔滴飛濺問(wèn)題，現(xiàn)階段多采用冷金屬過(guò)渡（Cold Metal Transfer，CMT）技術(shù)進(jìn)行工藝改進(jìn)，通過(guò)控制熱源的開關(guān)以及絲材的換向，有效地避免熱輸入積累（見圖1c），實(shí)現(xiàn)WAAM-GMAW（CMT）制造工藝。WAAMPAW的原理見圖1d，其焊槍內(nèi)存在水冷噴嘴，當(dāng)電弧通過(guò)水冷噴嘴時(shí)因受到外部的冷氣流以及水冷噴嘴孔壁的冷卻作用，電弧外圍氣體受到強(qiáng)烈冷卻，溫度降低，產(chǎn)生熱收縮效應(yīng)。由于等離子弧熱源比普通電弧的能量密度更高，熱量更加集中，故WAAM-PAW的特點(diǎn)是熔池深度較大，熱輸入比普通電弧高，而熱源范圍小有利于精密零件成形。

電弧增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的原理與上述類似。以金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為例，首先通過(guò)沉積層進(jìn)行桿單元的沉積成形，對(duì)于桿結(jié)構(gòu)，沉積層多為單一熔滴厚度；桿單元沉積完畢后，進(jìn)行單個(gè)胞元結(jié)構(gòu)的沉積；最終以相同的工藝與沉積模式實(shí)現(xiàn)最終點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造，如圖2所示。電弧增材制造制備的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有成形構(gòu)型多樣、成形尺寸大、效率高以及制造成本低等特點(diǎn)，因此對(duì)于面向工業(yè)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件高效生產(chǎn)制造，電弧增材制造具備較大的優(yōu)勢(shì)。

圖2 電弧增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)原理與步驟Fig.2 Principle and steps of metal lattice structure for wire arc additive manufacturing

2 電弧增材制造空間桿結(jié)構(gòu)

空間桿結(jié)構(gòu)是構(gòu)成金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的基本單元，由于不同的點(diǎn)陣胞元桿件會(huì)與水平面呈不同的角度，不同角度的桿件在空間中的連接與配合的形式也多種多樣，因此探索空間懸空桿件的制造工藝、制造角度極限以及制造效率對(duì)于后續(xù)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造至關(guān)重要?，F(xiàn)階段已有部分研究者和團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)探索。法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)的Radel等人［17-18］采用WAAM-GMAW（CMT）方法進(jìn)行空間桿的制造，利用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（Computer aided manufacturing，CAM）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6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CAM模型符合度較高，如圖3所示。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Ye等人［19］和荷蘭金屬增材制造公司MX3D合作，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-GMAW方法制造計(jì)算得到的幾何模型。該研究采用的制造設(shè)備是多軸工業(yè)焊接機(jī)器人與6自由度的工作臺(tái)，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，如圖4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-GMAW方法制備無(wú)支撐桿件結(jié)構(gòu)的制造工藝，如圖5所示。該公司在金屬增材制造領(lǐng)域享譽(yù)盛名，曾利用WAAM技術(shù)為阿姆斯特丹一條運(yùn)河建造了一座不銹鋼橋梁。其開發(fā)的增材制造系統(tǒng)采用6軸機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐空間任意角度桿件的制造，目標(biāo)是應(yīng)用于中大型空間異形結(jié)構(gòu)件的一體化制造。此外，MX3D也通過(guò)WAAM-GMAW（CMT）方法制造了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。WAAM-GMAW（CMT）方法配合高自由度的焊接機(jī)器人可以打破制造構(gòu)型的限制，但同時(shí)產(chǎn)生的飛濺較多。為了進(jìn)一步減少熱累積，采用逐點(diǎn)冷卻方法，即沉積一個(gè)點(diǎn)之后，對(duì)該點(diǎn)熔池進(jìn)行冷卻，此時(shí)焊槍移動(dòng)到另一個(gè)相對(duì)較遠(yuǎn)的點(diǎn)進(jìn)行沉積。該方法雖然能夠在一定程度上避免因熱輸入過(guò)高導(dǎo)致的熔池塌陷，但制造效率較低，整體制造時(shí)間較長(zhǎng)。

圖3 懸空金屬桁架結(jié)構(gòu)制造［17-18］Fig.3 Manufacturing of the suspended metal truss structure［17-18］

圖4 多自由度焊接機(jī)器人+WAAM-GMAW制造航空結(jié)構(gòu)零件［19］Fig.4 Manufacturing aviation structural parts by the multi degree of freedom welding robot+WAAM GMAW［19］

圖5 通過(guò)WAAM-GMAW方法制備無(wú)支撐桿件結(jié)構(gòu)［20-21］Fig.5 Preparation of the unsupported rod structure by WAAM-GMAW［20-21］

圖6 采用WAAM-GMAW（CMT）方法進(jìn)行空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)制造［20-21］Fig.6 Manufacturing of a spatial network structure by WAAM-GMAW（CMT）［20-21］

埃及開羅美國(guó)大學(xué)的增材制造實(shí)驗(yàn)室AMCL也通過(guò)6軸焊接機(jī)器人和多自由度工作臺(tái)進(jìn)行空間桿件結(jié)構(gòu)的制造，如圖7所示。該團(tuán)隊(duì)采用WAAM-GMAW（CMT）方法，通過(guò)機(jī)器人與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)協(xié)同配合，使實(shí)際沉積路徑保持在豎直方向，不是完全意義的無(wú)支撐空間桿件制造過(guò)程。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Silvestru等人［20-21］在“輕量化金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配”項(xiàng)目中，通過(guò)多軸焊接機(jī)器人將相鄰的兩個(gè)金屬桿進(jìn)行連接裝配，如圖8所示。其連接區(qū)域的形貌為電弧增材制造的金屬空間桿件。在實(shí)驗(yàn)中采用WAAM-GMAW方法進(jìn)行連接桿件制造，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。

圖7 空間桿件結(jié)構(gòu)的制造［22］Fig.7 Manufacturing of the spatial mesh structure［22］

圖8 通過(guò)多軸焊接機(jī)器人（WAAM-GMAW（CMT）方法）將相鄰的兩個(gè)金屬桿進(jìn)行連接裝配［23-24］Fig.8 ETH Zurich connected and assembled two adjacent metal rods through a multi-axis welding robot WAAM-GMAW（CMT）［23-24］

意大利博洛尼亞大學(xué)的Laghi等人［22-23］在和MX3D的合作項(xiàng)目中探索了新型無(wú)支撐WAAM技術(shù)制造不銹鋼網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。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)多軸焊接機(jī)器人在固定的金屬基板上采用WAAM-GMAW（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9所示。天津工業(yè)大學(xué)的Wang等人［24］也通過(guò)WAAM-GMAW（CMT）方法研究了空間桿件結(jié)構(gòu)的成形工藝，包括逐點(diǎn)沉積制造策略、WAAM中的力學(xué)分析模型、路徑優(yōu)化方法和基于碰撞檢測(cè)方法的干涉調(diào)節(jié)策略，制備了多種角度的空間桿件，如圖10所示。澳大利亞伍倫貢大學(xué)的增材制造團(tuán)隊(duì)Wu等人［25］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)于骨架類結(jié)構(gòu)的增材制造工藝（Skeleton Arc Additive Manufacturing，SAAM），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，并通過(guò)WAAM-GMAW（CMT）制造了空間桿件結(jié)構(gòu)，如圖11所示。制造過(guò)程采用多軸焊接機(jī)器和2自由度的工作臺(tái)，由于實(shí)際制造過(guò)程中工作臺(tái)可以隨著角度變化進(jìn)行移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，因此并非嚴(yán)格意義上的無(wú)支撐桿件制造。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［26］，采用WAAM-GMAW（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)，如圖12所示。北京理工大學(xué)Xu等人［27-29］采用WAAM-GTAW方法制造了無(wú)支撐空間桿結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了0°～90°的多角度空間桿無(wú)支撐制造，目前已經(jīng)制備了鈦合金和不銹鋼等材料的金屬桿件，如圖13所示。該團(tuán)隊(duì)的制造設(shè)備為3軸數(shù)控機(jī)床，由機(jī)床帶動(dòng)焊槍移動(dòng)，焊槍始終保持在豎直方向。

圖9 新型無(wú)支撐打印技術(shù)制造不銹鋼網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)［25-26］Fig.9 A new type of unsupported printing technology to manufacture stainless steel mesh skeleton structure［25-26］

圖10 空間桿件結(jié)構(gòu)的WAAM-GMAW（CMT）成形工藝［27］Fig.10 Forming process of spatial bar structure through WAAMGMAW （CMT） method［27］

圖11 骨架類結(jié)構(gòu)的增材制造工藝［28］Fig.11 Additive manufacturing process for skeleton structure［28］

圖12 采用WAAM-GMAW（CMT）方法制備30°～70°的傾斜金屬桿以及懸空幾何結(jié)構(gòu)［29］Fig.12 Preparation of 30°～70° inclined metal rods and suspended geometry by GMAW（CMT）［29］

圖13 采用WAAM-GTAW方法實(shí)現(xiàn)0°～90°的多角度、多材料空間桿的無(wú)支撐制造［30-32］Fig.13 Multi-angle and unsupported manufacturing of multimaterial space bar from 0° to 90° by WAAM-GTAW［30-32］

3 電弧增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

WAAM制造空間桿結(jié)構(gòu)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。北京理工大學(xué)Xu等人［28］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-GTAW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，通過(guò)3軸機(jī)床帶動(dòng)焊槍完成制造，制備了30°、45°、60°三種角度的金字塔胞元并分析了熔滴過(guò)渡機(jī)理，如圖14所示。華中科技大學(xué)Li等人［30］采用WAAMGMAW（CMT）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，如圖15所示。在制造過(guò)程中，焊槍始終保持豎直并未隨時(shí)調(diào)整角度，且工作臺(tái)也是固定的，這與前文所述的大部分研究采用焊接機(jī)器人變角度的制造模式不同。澳大利亞伍倫貢大學(xué)Yu等人［31-32］在懸空桿件結(jié)構(gòu)制造的基礎(chǔ)上，通過(guò)WAAM-GMAW（CMT）方法實(shí)現(xiàn)了鋁合金金字塔點(diǎn)陣的制造。該研究采用的制造設(shè)備是5軸數(shù)控機(jī)床，焊槍固定在Z方向，僅能沿Z方向上下移動(dòng)，而工作臺(tái)可以多自由度運(yùn)動(dòng)，如圖16所示。日本埼玉大學(xué)Abe等人［33］研究了制造空間桿件的過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)成形樣件宏觀形貌的影響，并最終實(shí)現(xiàn)了多層金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造，如圖17所示。制造過(guò)程采用WAAMGMAW（CMT）方法，每隔60 s電弧開啟一次，采用多桿件并行制造的方法。

圖14 采用WAAM-GTAW方法制備多角度鈦合金金字塔點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)［31］Fig.14 Adopted WAAM-GTAW method to prepare multi-angle titanium alloy pyramid lattice cell structure［31］

圖15 采用WAAM-GMAW（CMT）方法實(shí)現(xiàn)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［33］Fig.15 Manufacturing of aluminum alloy multi-angle tilt rod and large multi-layer lattice structure through WAAM-GMAW （CMT）［33］

圖16 通過(guò)WAAM-GMAW（CMT）方法實(shí)現(xiàn)鋁合金金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造［34-35］Fig.16 Manufacturing of aluminum alloy pyramid lattice structure through WAAM-GMAW （CMT）［34-35］

圖17 通過(guò)WAAM-GMAW（CMT）方法實(shí)現(xiàn)鋼材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造［36］Fig.17 Manufacturing of steel lattice structure through WAAMGMAW （CMT）［36］

電弧增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)方面的研究表明，當(dāng)前涉及空間桿件制造、無(wú)支撐制造以及相關(guān)制造策略的研究已經(jīng)逐漸成為電弧增材制造的研究熱點(diǎn)。主要的制造方法為基于WAAM-GMAW通過(guò)多自由度焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造，基于WAAM-GTAW方法制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的模式相關(guān)研究較少。不同的WAAM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成形方法特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 不同的WAAM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成形方法特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of characteristics of different WAAM lattice structure deposition methods

綜上所述，電弧增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段存在的挑戰(zhàn)與主要掣肘如下：（1）在制造方法方面，以GMAW和GMAW（CMT）為主的制造方法是點(diǎn)陣制造主流，但存在制造效率較低、飛濺不易控制等成形難題。GTAW能夠一定程度提升制造效率，但工藝穩(wěn)定性依然需要調(diào)控。（2）在制造裝備方面，GMAW和GMAW（CMT）主要以多自由度焊接機(jī)器人為主體完成制造過(guò)程，雖然制造自由度得到極大提高，但其成本較高不利于實(shí)現(xiàn)多熱源集成化，在一定程度上制約了超高效批量制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)展；GTAW主要以機(jī)床為主體實(shí)現(xiàn)制造，成本相對(duì)較低，且能夠?qū)崿F(xiàn)多熱源集成制造，具有超高效、批量化制造的潛力，但是制造精度較差，實(shí)現(xiàn)精密結(jié)構(gòu)制造較為困難。（3）在點(diǎn)陣無(wú)支撐桿件制造方面，GMAW、GMAW（CMT）和GTAW制造方法均能夠?qū)崿F(xiàn)0°～90°的無(wú)支撐金屬桿件制造，但是對(duì)于負(fù)角度空間金屬桿仍存在較大的制造難度。

4 結(jié)論與展望

金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是材料結(jié)構(gòu)輕量化與性能多樣化集成發(fā)展的重要組成部分，也是當(dāng)下以及未來(lái)研究的主要熱點(diǎn)之一，其廣泛應(yīng)用于航空航天、遠(yuǎn)洋船舶等工業(yè)關(guān)鍵領(lǐng)域。電弧增材制造技術(shù)（WAAM）相比于傳統(tǒng)的減材加工技術(shù)因減少了加工工序可實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，相比于激光增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐空間結(jié)構(gòu)的低成本制造，在金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造和發(fā)展過(guò)程中具有廣闊的應(yīng)用前景和重要作用。目前，電弧增材制造金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)雖然已有相關(guān)研究，但總體仍處于制造工藝與性能探索階段，多熱源高效制造、多構(gòu)型制造、大尺寸點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)批量制造等研究相對(duì)滯后，亟需在制造裝備、制造工藝以及相關(guān)凝固機(jī)理方面展開系統(tǒng)、深入的研究。

（1）現(xiàn)有電弧增材制造裝備在制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)過(guò)程中均采用單一熱源（電?。?，面對(duì)高密度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造需求，其制造周期較長(zhǎng)、制造效率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量化、整體化制造，因此電弧增材制造裝備未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)在于多電弧集成并行與相應(yīng)控制系統(tǒng)的開發(fā)，以提高制造效率，深入挖掘其在制造超大規(guī)格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)樣件（如點(diǎn)陣夾芯板）方面的應(yīng)用潛力。

（2）成形過(guò)程中熔滴飛濺等因素產(chǎn)生的缺陷，嚴(yán)重影響電弧增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量。目前的三種制造方法雖然在工藝調(diào)控方面能夠一定程度上減少飛濺產(chǎn)生，但相關(guān)的形成機(jī)理與調(diào)控方法研究仍然不充分，特別是在非穩(wěn)態(tài)電弧作用下飛濺的產(chǎn)生與工藝相關(guān)性問(wèn)題需要進(jìn)一步探索。

（3）對(duì)于大量非傳統(tǒng)構(gòu)型的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一體化制造，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造相對(duì)困難。WAAM技術(shù)需要在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)和設(shè)備，以滿足未來(lái)多樣性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)際制造需求。