電弧增材制造金屬點陣結構研究進展

徐田秋， 敬晨晨 ， 毛 昊， 李 坤， 韓 驍， 魯 濤， 馬樹元 ， 劉長猛

1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081

2.中國地質大學（北京） 國土資源部深部地質鉆探技術重點實驗室，北京 100083

0 前言

金屬點陣結構是擁有某種具體空間構型的金屬胞元按照一定規則周期性排列的一種輕質多功能結構，在航空（飛行器主承力結構）、航天（衛星支架）、航海（船舶艙室）和車輛（抗爆底板）等領域有著廣闊的應用前景［1-3］。點陣結構最大的特點是具有不同幾何拓撲的微結構和高孔隙率，因而具有優良的功能特性，如高比強度、高比剛度、抗爆炸沖擊、減震、降噪、隔熱等［4-7］。然而，現階段傳統的制造方法（鑄造、鍛造、傳統減材加工等）對于制備復雜構型的點陣結構較為困難，存在制造周期長、制造成本高、工序復雜、成形構型有限等問題，因此無法在工業領域進行批量生產制造，也制約了金屬點陣結構的實際應用。

增材制造技術（Additive Manufacturing，AM）基于“離散+堆積”原理，可以實現復雜結構優化設計和近凈成形制造，被美國麥肯錫咨詢公司列為“決定未來經濟的十二大顛覆技術”之一［8-9］。其制造特點可以實現多自由度空間復雜幾何形狀結構的制造，為精確成形復雜三維設計結構提供了可能，并簡化了加工工藝。因此，AM能夠為金屬點陣結構的制造提供新的技術手段和工藝可行性。

增材制造根據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］。近年來隨著增材制造技術的普及和應用，以高能束為熱源的增材制造方法已經能夠實現復雜形狀點陣結構的成形。Mazur［13］等人采用激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術對多角度的懸空金屬桿件的制造工藝進行研究，發現雖然能夠實現毫米級點陣結構的制造，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°范圍內制造桿件必須添加支撐結構且無法徹底去除支撐結構，增加了工藝復雜度。Zhang等人［14］通過電子束選區熔化（Selective Electron Beam Melting，SEBM）技術實現了鈦合金多角度懸空桿件結構和點陣結構的制造，但是低沉積角度（桿與水平面夾角小于25°）會導致桿件變形。現有研究成果表明，高能束增材制造以“高能束+粉末”的方式實現了微米級、毫米級點陣結構的一體化制造，但仍然存在制造效率不高、低角度結構制造高度依賴支撐、金屬粉末等原材料以及設備成本高昂、成形艙尺寸限制其無法制備米級大尺寸結構等諸多局限。因而對于工業級的大規格、大尺寸點陣結構，仍然迫切需求能夠突破上述局限的新制造方法和技術。

電弧增材制造技術（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，最早追溯到1925年美國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件［15-16］。經過多年發展，WAAM技術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，且不受成形環境的限制，非常適用于制備大型結構件。因此，WAAM有望成為金屬點陣結構實現規模化應用的關鍵制造技術。目前國內外已有部分學者進行了相關的制造策略與沉積工藝研究，WAAM金屬點陣相關的制造工藝與機理未來必將成為新興研究熱點之一。

本文對電弧熔絲增材制造的空間桿結構以及點陣結構成形工藝的相關研究進展與制造特點進行論述，重點討論不同類型的WAAM金屬點陣結構工藝研究現狀與相關成形控制難題，對WAAM金屬點陣結構的制造發展方向進行展望，以期推進WAAM金屬點陣結構向高沉積效率、高成形精度、高制造規模方向發展。

1 電弧增材制造金屬點陣結構原理

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：以熔化極惰性氣體保護焊（Gas metal arc welding，GMAW）為原理的WAAM-GMAW，以鎢極惰性氣體保護焊（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，通過焊槍中的鎢極尖端放電，使基板和鎢極尖端之間產生電弧，當金屬絲按照一定的送絲速度送入電弧區域后熔化形成熔滴，熔滴下落后凝固形成沉積層，隨著沉積過程的進行，焊槍沿著預定軌跡不斷進行移動，沉積層也逐次堆疊最終完成零件的制備。WAAMGTAW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-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-GMAW的特點是存在較為嚴重的熔滴飛濺現象，電弧穩定性較差。為了解決熔滴飛濺問題，現階段多采用冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）技術進行工藝改進，通過控制熱源的開關以及絲材的換向，有效地避免熱輸入積累（見圖1c），實現WAAM-GMAW（CMT）制造工藝。WAAMPAW的原理見圖1d，其焊槍內存在水冷噴嘴，當電弧通過水冷噴嘴時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烈冷卻，溫度降低，產生熱收縮效應。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。

電弧增材制造點陣結構的原理與上述類似。以金字塔點陣結構為例，首先通過沉積層進行桿單元的沉積成形，對于桿結構，沉積層多為單一熔滴厚度；桿單元沉積完畢后，進行單個胞元結構的沉積；最終以相同的工藝與沉積模式實現最終點陣結構的制造，如圖2所示。電弧增材制造制備的點陣結構具有成形構型多樣、成形尺寸大、效率高以及制造成本低等特點，因此對于面向工業應用的結構件高效生產制造，電弧增材制造具備較大的優勢。

圖2 電弧增材制造金屬點陣結構原理與步驟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構

空間桿結構是構成金屬三維點陣結構的基本單元，由于不同的點陣胞元桿件會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于后續點陣結構的制造至關重要。現階段已有部分研究者和團隊對此進行了相關探索。法國蒙彼利埃大學的Radel等人［17-18］采用WAAM-GMAW（CMT）方法進行空間桿的制造，利用計算機輔助制造技術（Computer aided manufacturing，CAM）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6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CAM模型符合度較高，如圖3所示。英國帝國理工學院的Ye等人［19］和荷蘭金屬增材制造公司MX3D合作，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-GMAW方法制造計算得到的幾何模型。該研究采用的制造設備是多軸工業焊接機器人與6自由度的工作臺，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，如圖4所示。荷蘭金屬電弧增材制造公司MX3D利用多軸焊接機器人，首次提出通過WAAM-GMAW方法制備無支撐桿件結構的制造工藝，如圖5所示。該公司在金屬增材制造領域享譽盛名，曾利用WAAM技術為阿姆斯特丹一條運河建造了一座不銹鋼橋梁。其開發的增材制造系統采用6軸機器人可實現無支撐空間任意角度桿件的制造，目標是應用于中大型空間異形結構件的一體化制造。此外，MX3D也通過WAAM-GMAW（CMT）方法制造了空間網狀結構，如圖6所示。WAAM-GMAW（CMT）方法配合高自由度的焊接機器人可以打破制造構型的限制，但同時產生的飛濺較多。為了進一步減少熱累積，采用逐點冷卻方法，即沉積一個點之后，對該點熔池進行冷卻，此時焊槍移動到另一個相對較遠的點進行沉積。該方法雖然能夠在一定程度上避免因熱輸入過高導致的熔池塌陷，但制造效率較低，整體制造時間較長。

圖3 懸空金屬桁架結構制造［17-18］Fig.3 Manufacturing of the suspended metal truss structure［17-18］

圖4 多自由度焊接機器人+WAAM-GMAW制造航空結構零件［19］Fig.4 Manufacturing aviation structural parts by the multi degree of freedom welding robot+WAAM GMAW［19］

圖5 通過WAAM-GMAW方法制備無支撐桿件結構［20-21］Fig.5 Preparation of the unsupported rod structure by WAAM-GMAW［20-21］

圖6 采用WAAM-GMAW（CMT）方法進行空間網狀結構制造［20-21］Fig.6 Manufacturing of a spatial network structure by WAAM-GMAW（CMT）［20-21］

埃及開羅美國大學的增材制造實驗室AMCL也通過6軸焊接機器人和多自由度工作臺進行空間桿件結構的制造，如圖7所示。該團隊采用WAAM-GMAW（CMT）方法，通過機器人與工作臺運動協同配合，使實際沉積路徑保持在豎直方向，不是完全意義的無支撐空間桿件制造過程。瑞士蘇黎世聯邦理工學院Silvestru等人［20-21］在“輕量化金屬結構設計與裝配”項目中，通過多軸焊接機器人將相鄰的兩個金屬桿進行連接裝配，如圖8所示。其連接區域的形貌為電弧增材制造的金屬空間桿件。在實驗中采用WAAM-GMAW方法進行連接桿件制造，并針對焊槍在連接過程中的沉積路徑進行了優化。

圖7 空間桿件結構的制造［22］Fig.7 Manufacturing of the spatial mesh structure［22］

圖8 通過多軸焊接機器人（WAAM-GMAW（CMT）方法）將相鄰的兩個金屬桿進行連接裝配［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的Laghi等人［22-23］在和MX3D的合作項目中探索了新型無支撐WAAM技術制造不銹鋼網狀骨架結構，該結構可應用于建筑領域。研究者基于材料性能、制造特性和建筑設計等各個方面，通過多軸焊接機器人在固定的金屬基板上采用WAAM-GMAW（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9所示。天津工業大學的Wang等人［24］也通過WAAM-GMAW（CMT）方法研究了空間桿件結構的成形工藝，包括逐點沉積制造策略、WAAM中的力學分析模型、路徑優化方法和基于碰撞檢測方法的干涉調節策略，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的增材制造團隊Wu等人［25］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（Skeleton Arc Additive Manufacturing，SAAM），通過構建熔滴參數模型，優化實際沉積路徑和成形工藝，并通過WAAM-GMAW（CMT）制造了空間桿件結構，如圖11所示。制造過程采用多軸焊接機器和2自由度的工作臺，由于實際制造過程中工作臺可以隨著角度變化進行移動或轉動，因此并非嚴格意義上的無支撐桿件制造。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［26］，采用WAAM-GMAW（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，如圖12所示。北京理工大學Xu等人［27-29］采用WAAM-GTAW方法制造了無支撐空間桿結構，并實現了0°～90°的多角度空間桿無支撐制造，目前已經制備了鈦合金和不銹鋼等材料的金屬桿件，如圖13所示。該團隊的制造設備為3軸數控機床，由機床帶動焊槍移動，焊槍始終保持在豎直方向。

圖9 新型無支撐打印技術制造不銹鋼網狀骨架結構［25-26］Fig.9 A new type of unsupported printing technology to manufacture stainless steel mesh skeleton structure［25-26］

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

圖11 骨架類結構的增材制造工藝［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構［29］Fig.12 Preparation of 30°～70° inclined metal rods and suspended geometry by GMAW（CMT）［29］

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

3 電弧增材制造點陣結構

WAAM制造空間桿結構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。北京理工大學Xu等人［28］在無支撐金屬桿件增材制造工藝的基礎上，提出了采用WAAM-GTAW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，通過3軸機床帶動焊槍完成制造，制備了30°、45°、60°三種角度的金字塔胞元并分析了熔滴過渡機理，如圖14所示。華中科技大學Li等人［30］采用WAAMGMAW（CMT）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，如圖15所示。在制造過程中，焊槍始終保持豎直并未隨時調整角度，且工作臺也是固定的，這與前文所述的大部分研究采用焊接機器人變角度的制造模式不同。澳大利亞伍倫貢大學Yu等人［31-32］在懸空桿件結構制造的基礎上，通過WAAM-GMAW（CMT）方法實現了鋁合金金字塔點陣的制造。該研究采用的制造設備是5軸數控機床，焊槍固定在Z方向，僅能沿Z方向上下移動，而工作臺可以多自由度運動，如圖16所示。日本埼玉大學Abe等人［33］研究了制造空間桿件的過程中工藝參數對成形樣件宏觀形貌的影響，并最終實現了多層金字塔點陣結構的制造，如圖17所示。制造過程采用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陣胞元結構［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）方法實現鋁合金多角度傾斜桿件和大型多層點陣結構的制造［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WAAM-GMAW（CMT）方法實現鋁合金金字塔點陣結構的制造［34-35］Fig.16 Manufacturing of aluminum alloy pyramid lattice structure through WAAM-GMAW （CMT）［34-35］

圖17 通過WAAM-GMAW（CMT）方法實現鋼材料點陣結構制造［36］Fig.17 Manufacturing of steel lattice structure through WAAMGMAW （CMT）［36］

電弧增材制造金屬點陣結構方面的研究表明，當前涉及空間桿件制造、無支撐制造以及相關制造策略的研究已經逐漸成為電弧增材制造的研究熱點。主要的制造方法為基于WAAM-GMAW通過多自由度焊接機器人實現點陣結構的制造，基于WAAM-GTAW方法制造點陣結構的模式相關研究較少。不同的WAAM點陣結構成形方法特點對比如表1所示。

表1 不同的WAAM點陣結構成形方法特點對比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陣結構現階段存在的挑戰與主要掣肘如下：（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，但工藝穩定性依然需要調控。（2）在制造裝備方面，GMAW和GMAW（CMT）主要以多自由度焊接機器人為主體完成制造過程，雖然制造自由度得到極大提高，但其成本較高不利于實現多熱源集成化，在一定程度上制約了超高效批量制造點陣結構的發展；GTAW主要以機床為主體實現制造，成本相對較低，且能夠實現多熱源集成制造，具有超高效、批量化制造的潛力，但是制造精度較差，實現精密結構制造較為困難。（3）在點陣無支撐桿件制造方面，GMAW、GMAW（CMT）和GTAW制造方法均能夠實現0°～90°的無支撐金屬桿件制造，但是對于負角度空間金屬桿仍存在較大的制造難度。

4 結論與展望

金屬點陣結構是材料結構輕量化與性能多樣化集成發展的重要組成部分，也是當下以及未來研究的主要熱點之一，其廣泛應用于航空航天、遠洋船舶等工業關鍵領域。電弧增材制造技術（WAAM）相比于傳統的減材加工技術因減少了加工工序可實現空間復雜結構制造，相比于激光增材制造技術可實現無支撐空間結構的低成本制造，在金屬點陣結構的制造和發展過程中具有廣闊的應用前景和重要作用。目前，電弧增材制造金屬點陣結構雖然已有相關研究，但總體仍處于制造工藝與性能探索階段，多熱源高效制造、多構型制造、大尺寸點陣結構批量制造等研究相對滯后，亟需在制造裝備、制造工藝以及相關凝固機理方面展開系統、深入的研究。

（1）現有電弧增材制造裝備在制造點陣結構過程中均采用單一熱源（電弧），面對高密度的點陣結構制造需求，其制造周期較長、制造效率較低，無法實現批量化、整體化制造，因此電弧增材制造裝備未來的發展重點在于多電弧集成并行與相應控制系統的開發，以提高制造效率，深入挖掘其在制造超大規格點陣結構樣件（如點陣夾芯板）方面的應用潛力。

（2）成形過程中熔滴飛濺等因素產生的缺陷，嚴重影響電弧增材制造點陣結構成型質量。目前的三種制造方法雖然在工藝調控方面能夠一定程度上減少飛濺產生，但相關的形成機理與調控方法研究仍然不充分，特別是在非穩態電弧作用下飛濺的產生與工藝相關性問題需要進一步探索。

（3）對于大量非傳統構型的點陣結構的一體化制造，由于結構復雜，制造相對困難。WAAM技術需要在現有工藝基礎上開發相應的控制系統和設備，以滿足未來多樣性點陣結構的實際制造需求。