重大成果：北理工“超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术与装备”

金属点阵结构是一种轻质多功能结构，具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势，在航空（飞行器主承力结构）、航天（卫星支架）、航海（船舶舱室）和车辆（抗爆底板）等领域有着广阔的应用前景。然而，现阶段传统的制造方法（铸造、锻造、传统减材加工等）对于制备复杂构型的点阵结构较为困难，存在制造周期长、制造成本高、工序复杂、成形构型有限等问题，因此无法在工业领域进行批量生产制造，也制约了金属点阵结构的实际应用。

点阵结构，是突出3D打印技术制造能力的关键结构特征。而长期以来，此类结构被认为优先采用粉末床激光熔融技术制造，且该工艺确实有独特优势。但面临大尺寸点阵结构的制造，粉末床熔融工艺就显示出了它的不足。

3D打印技术参考注意到，在3月6日央视《共赢新局》栏目中，北京理工大学机械与车辆学院“超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术与装备”科技成果获得报导。北京理工大学指出，这是纪录片中唯一的高校类科技创新成果。

电弧增材制造技术是以电弧为热源，丝材为基材的金属增材制造技术。经过多年发展，电弧增材制造技术已经具有中高程度的沉积效率，与金属粉末相比，丝材成本低、材料利用率较高，且不受成形环境的限制，非常适用于制备大型结构件。3D打印技术参考查询到，北京理工大学徐田秋博士的一篇题为“电弧增材制造金属点阵结构研究进展”论文指出，电弧增材制造制备的点阵结构具有成形构型多样、成形尺寸大、效率高以及制造成本低等特点，因此对于面向工业应用的结构件高效生产制造，电弧增材制造具备较大的优势。

空间杆结构是构成金属三维点阵结构的基本单元，由于不同的点阵胞元杆件会与水平面呈不同的角度，不同角度的杆件在空间中的连接与配合的形式也多种多样，因此探索空间悬空杆件的制造工艺、制造角度极限以及制造效率对于后续点阵结构的制造至关重要。北京理工大学刘长猛教授带领团队突破了悬空结构无支撑3D打印的技术难关，提出了脉冲电弧辅助热丝的悬空结构自由成形新工艺，建立了大型金属点阵结构3D打印新方法；自主研制了多弧（10弧、16弧、40弧）并行3D打印系列装备，实现10米级点阵结构3D打印以及效率量级提升，形成了超大规格金属点阵结构多弧并行3D打印技术体系。

该技术旨在构建3D打印可批量化生产的两类点阵“型材”。一类是轻量化型材，暨轻质多功能点阵夹芯结构，相对传统结构可减重30%以上，兼具减振降噪、抗爆防护等功能，适用于机动装备，在船舶、潜艇、装甲车辆、大翼展飞行器等领域具有广阔应用前景。第二类是低成本型材，暨钢板点阵混凝土结构，内部填充低成本混凝土，是一种新型海洋基建材料，相对现在全钢结构海洋平台，可显著降低用钢量，综合建造成本降低70%以上，兼具经济性、密封性、稳定性和安全性等，适用于非机动型海洋平台，在海洋浮式风电、深远海养殖、千米级海洋浮式平台、深海基地建设、岛礁建设等领域应用前景广阔。

金属点阵结构是材料结构轻量化与性能多样化集成发展的重要组成部分，也是当下以及未来研究的主要热点之一，其广泛应用于航空航天、远洋船舶等工业关键领域。电弧增材制造技术相比于传统的减材加工技术因减少了加工工序可实现空间复杂结构制造，相比于激光增材制造技术可实现无支撑空间结构的低成本制造，在金属点阵结构的制造和发展过程中具有广阔的应用前景和重要作用。

目前，电弧增材制造金属点阵结构虽然已有相关研究，但总体仍处于制造工艺与性能探索阶段，多热源高效制造、多构型制造、大尺寸点阵结构批量制造等研究相对滞后，亟需在制造装备、制造工艺以及相关凝固机理方面展开系统、深入的研究。

（1）现有电弧增材制造装备在制造点阵结构过程中均采用单一热源（电弧），面对高密度的点阵结构制造需求，其制造周期较长、制造效率较低，无法实现批量化、整体化制造，因此电弧增材制造装备未来的发展重点在于多电弧集成并行与相应控制系统的开发，以提高制造效率，深入挖掘其在制造超大规格点阵结构样件（如点阵夹芯板）方面的应用潜力。

（2）成形过程中熔滴飞溅等因素产生的缺陷，严重影响电弧增材制造点阵结构成型质量。目前的三种制造方法虽然在工艺调控方面能够一定程度上减少飞溅产生，但相关的形成机理与调控方法研究仍然不充分，特别是在非稳态电弧作用下飞溅的产生与工艺相关性问题需要进一步探索。

（3）对于大量非传统构型的点阵结构的一体化制造，由于结构复杂，制造相对困难。WAAM 技术需要在现有工艺基础上开发相应的控制系统和设备，以满足未来多样性点阵结构的实际制造需求。

北理工团队结合天津强大的海工装备制造业，于天津滨海新区开展技术中试验证，有望构建海洋浮式平台的“增材建造”新体系，推动海洋领域未来材料、未来能源、未来空间等未来产业发展。