引用論文

徐田秋, 符瑞, 羅龍溪, 許瀚文, 毛昊, 劉長(zhǎng)猛. 大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)與進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(3): 2-14.

XU Tianqiu, FU Rui, LUO Longxi, XU Hanwen, MAO Hao, LIU Changmeng. Additive Manufacturing Technologies and Research Progress for Large-scale Lattice Structures[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(3): 2-14.

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大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)因其具備高孔隙率的結(jié)構(gòu)特性以及抗沖擊/減震降噪等功能特性，在現(xiàn)代國(guó)防，海洋，建筑等重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，制造技術(shù)的局限是制約大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要瓶頸。增材制造突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制，基于逐層堆積的成形原理，使得三維大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一體化成形成為可能。對(duì)此，北京理工大學(xué)劉長(zhǎng)猛教授團(tuán)隊(duì)聚焦大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)與方法，從制造工藝，制造裝備以及應(yīng)用前景三個(gè)方面對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀與特點(diǎn)進(jìn)行闡述和總結(jié)。在制造工藝方面，對(duì)比目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的大型多材料金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造工藝與先進(jìn)成果，以桁架類點(diǎn)陣和標(biāo)準(zhǔn)幾何類點(diǎn)陣為代表，對(duì)比當(dāng)前制造技術(shù)特點(diǎn)。在制造裝備方面，從裝備結(jié)構(gòu)和裝備控制系統(tǒng)兩個(gè)維度進(jìn)行歸納總結(jié)，匯總目前大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)制造裝備結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)明晰控制系統(tǒng)的異同。最后對(duì)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在增材制造領(lǐng)域未來應(yīng)用進(jìn)行展望。旨在系統(tǒng)性闡述大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在增材制造領(lǐng)域的進(jìn)展與未來發(fā)展，促進(jìn)增材制造技術(shù)在輕量化結(jié)構(gòu)高效高質(zhì)量制造方面的工業(yè)化應(yīng)用 。本文作為《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2026年第3期的封面文章發(fā)表，期望相關(guān)工作為研究提供參考。

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行業(yè)現(xiàn)狀

大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、多功能集成等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、海洋工程及建筑領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。目前，增材制造技術(shù)已成為其核心制造手段，近年來電弧增材制造WAAM憑借高效率、低成本和大尺寸制造能力，使大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的高效低成本制造成為可能。在多材料制造、多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及復(fù)雜空間構(gòu)型制備取得一定進(jìn)展，但整體仍處于從實(shí)驗(yàn)室研究向工程應(yīng)用過渡階段。

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研究難點(diǎn)或瓶頸

當(dāng)前大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造仍面臨多方面挑戰(zhàn)：首先，WAAM工藝成形精度與表面質(zhì)量有限，難以兼顧大尺寸與高精度；其次，傾斜桿元及復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)易發(fā)生熔池塌陷與幾何失真，缺乏穩(wěn)定的工藝參數(shù)映射關(guān)系；此外，多熱源協(xié)同制造雖可提升效率，但存在路徑規(guī)劃復(fù)雜、熱干擾顯著及質(zhì)量一致性難以控制等問題。同時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與性能評(píng)價(jià)尚未形成統(tǒng)一體系，制約工程化應(yīng)用。

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展望

未來，大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增材制造將向高效化、精密化與智能化方向發(fā)展。一方面，需融合WAAM與激光增材等多種工藝優(yōu)勢(shì)，通過多能束協(xié)同與光束調(diào)控，實(shí)現(xiàn)大尺寸與高精度兼顧的制造模式；另一方面，多熱源并行與多機(jī)器人協(xié)同制造將成為提升效率的重要路徑，但需配套發(fā)展高集成度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃、路徑控制與在線反饋的一體化。與此同時(shí)，基于機(jī)器視覺與人工智能的熔池監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制技術(shù)將顯著提升成形質(zhì)量與一致性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，應(yīng)發(fā)展面向具體工程場(chǎng)景的點(diǎn)陣拓?fù)鋬?yōu)化方法，并結(jié)合多材料與功能梯度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化。此外，建立覆蓋設(shè)計(jì)、制造與服役性能的評(píng)價(jià)體系，將是推動(dòng)大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)走向規(guī)模化工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

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代表性圖片

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團(tuán)隊(duì)研究方向

跨尺度智能增材制造：以增材制造（3D打?。╊嵏矀鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)為主導(dǎo)思想，以智能增材制造系統(tǒng)與裝備為根基，構(gòu)建跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造理論與技術(shù)體系，服務(wù)航天、海洋等重大需求。主要研究方向：

（1）智能裝備：多弧并行增材制造智能控制系統(tǒng)與裝備、移動(dòng)式3D打印機(jī)器人

（2）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)：超大型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、鋼板點(diǎn)陣混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（3）創(chuàng)新材料：大尺寸單晶材料增材制造、多絲材原位制備-結(jié)構(gòu)制造一體化

（4）新質(zhì)裝備：超大型海洋浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)與增材制造、超大翼展飛行器設(shè)計(jì)與增材制造

作者及團(tuán)隊(duì)介紹

劉長(zhǎng)猛，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院長(zhǎng)聘教授、博導(dǎo)、院長(zhǎng)助理。長(zhǎng)期開展多弧并行增材制造控形控性機(jī)理與方法、控制系統(tǒng)與智能裝備研究。主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（首席科學(xué)家）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（B類）/葉企孫基金、國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目等10 余項(xiàng)。共發(fā)表學(xué)術(shù)論文106 篇，其中以第一/通訊作者發(fā)表SCI 論文56 篇。第一發(fā)明人授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利21 項(xiàng)。成果應(yīng)用于兵器、航天、航空、船舶等國(guó)防領(lǐng)域。研究成果得到全國(guó)新聞聯(lián)播、人民日?qǐng)?bào)、新華社、中央電視臺(tái)等報(bào)道。擔(dān)任國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）“增材制造與激光制造”領(lǐng)域規(guī)劃青年專家、中國(guó)機(jī)電一體化協(xié)會(huì)理事等。

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近兩年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] H. Mao, C. Liu, X. Ling, H. Xu, J. Xie, R. Fu, C. Jing, D. Wang, C. Wang, J. Lv, Effects of arc waveforms on morphology, microstructure, and properties of unsupported bars in wire and arc additive manufacturing, Journal of Materials Processing Technology 337 (2025) 118722.

[2] T. Xu, C. Jing, H. Mao, Y. Cui, H. Xu, J. Wang, C. Liu, Parallel multi arc directed energy deposition: New way to achieve efficient manufacturing of large-size lattice sandwich structure, Additive Manufacturing 90 (2024) 104322.

[3] J. Pan, L. Luo, T. Lu, E. Qian, C. Liu, Y. Guo, Q. Wu, In-Situ visual reconstruction of strut profiles in pulsed wire arc additive manufacturing of lattice structures, Virtual and Physical Prototyping 19(1) (2024) e2425822.

[4] R. Fu, Z. Yu, Q. Wu, C. Liu, Microstructure evolution and property strengthening of Ti2AlNb alloys prepared by multi-wire arc-directed energy deposition, Journal of Materials Processing Technology 329 (2024) 118460.

[5] R. Fu, X. Han, C. Jing, H. Mao, Y. Guo, L. Tang, C. Liu, H. Lei, Heat input adjustment process for unsupported aluminum alloy lattice struts continuous forming by wire arc-directed energy deposition, Journal of Materials Processing Technology 332 (2024) 118550.

作 者：劉長(zhǎng)猛

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 彤

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