北京理工大学刘长猛教授团队：电弧定向能量沉积制造大型316L不锈钢点阵结

引用论文

      Chenchen Jing, Hao Mao, Tianqiu Xu, Lu Pang, Jiping Lu, Zixiang Li, Zhiqiang Zhang, Changmeng Liu, Fabrication strategy and mechanical behavior of large-size 316L stainless steel lattice structures via directed energy deposition-arc, Additive Manufacturing Frontiers, Volume 5, Issue 3, 2026, 200296, https://doi.org/10.1016/j.amf.2026.200296.

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950431726000031


1 研究背景及目的
        本研究的开展源于汽车、航空航天等领域对轻质高性能结构日益增长的需求。点阵结构因其优异的性能组合而备受关注，但传统制造方法在制备大尺寸、复杂拓扑结构件时存在显著局限。电弧定向能量沉积技术为解决该问题提供了新途径，然而，现有研究多集中于杆-板连接，对点阵结构中关键承载单元——相邻杆件间的节点连接研究尚显不足。为此，本研究旨在开发一种基于GTAW的DED-Arc大型点阵结构制造策略，重点优化BCC点阵结构的节点连接工艺，并通过系统的微观组织表征、力学性能测试（压缩、弯曲）与计算模拟相结合的方法，验证该制造策略的可靠性，为大型点阵结构的高效、高质量成形提供理论依据与实践方案。



2 论文亮点

本论文的创新性主要体现在三个方面：

（1）提出了基于热丝GTAW的电弧定向能量沉积大尺寸不锈钢点阵结构的制造策略；

（2）开发了一种创新的节点连接工艺，通过多层环形路径沉积实现了相邻杆件间的完整冶金结合，示了节点区域因高热输入形成粗大等轴晶的微观机理；

（3）通过压缩与三点弯曲实验结合有限元模拟，多维度验证了该工艺制备的BCC点阵结构具有稳定的力学性能，为大型承载点阵结构的高效、高质量成形提供了可靠的工艺方案和理论指导。

3 实验方法

       本论文采用系统的试验方法开展研究：首先基于热丝GTAW-电弧直接能量沉积技术，通过差异化工艺参数成功制备了316L不锈钢BCC点阵结构，其中节点连接创新采用多层环形路径沉积以保证冶金结合质量；随后通过金相分析揭示了节点区域因高热输入形成的粗大等轴晶组织，并通过室温拉伸测试定量评估了节点力学性能；进一步通过准静态压缩试验和三点弯曲试验表征整体结构性能，获得等效屈服强度及弯曲峰值载荷；最后建立有限元模型模拟变形过程，验证了实验结果的可靠性，形成了一套“工艺-表征-测试-模拟”相互印证的完整研究方法体系。



4 结论

    本研究通过GTAW基电弧直接能量沉积技术成功实现了大型316L不锈钢点阵结构的制造，并得出以下重要结论：首先，提出的节点连接工艺有效实现了相邻杆件的冶金结合，但节点区域因高热输入形成粗大等轴晶组织，导致其拉伸强度较杆件降低约15%。其次，制备的2×2 BCC点阵结构表现出4.6±0.3 MPa的等效屈服强度和187.6±18.3 MPa的等效弹性模量，三点弯曲测试峰值载荷达50.5-54.5 kN，实验与模拟结果高度吻合，验证了工艺可靠性。最后，研究发现上层面板与杆件的手工焊接界面存在结合缺陷，成为弯曲试验中突然载荷下降的主因，凸显了自动化连接优化的必要性。

     在应用前景方面，该研究为航空航天、交通运输等领域大型轻量化承载结构的高效制造提供了创新解决方案。DED-Arc技术的高沉积效率和低成本优势使其特别适用于船舶上层建筑、太空舱体等大尺度构件的一体化成形。未来通过优化节点连接工艺、实现面板-杆件界面自动化制造，可进一步拓展至建筑防护结构、重型装备防护装置等工程场景，为大型金属点阵结构的产业化应用奠定关键技术基础。

关于团队

作者介绍

       刘长猛（通信作者），北京理工大学机械与车辆学院长聘教授、博导、院长助理。长期开展多弧并行增材制造控形控性机理与方法、控制系统与智能装备研究。主持了国家重点研发计划项目（首席科学家）、国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）/面上/青年项目、国防基础科研重点项目等10 余项。共发表学术论文106 篇，其中以第一/通讯作者发表SCI 论文56 篇。第一发明人授权国家发明专利21 项。成果应用于兵器、航天、航空、船舶等国防领域。研究成果得到全国新闻联播、人民日报、新华社、中央电视台等报道。担任国家中长期发展规划（2021-2035 年）“增材制造与激光制造”领域规划青年专家、中国机电一体化协会理事等。

团队研究方向

跨尺度智能增材制造：以增材制造（3D打印）颠覆传统结构为主导思想，以智能增材制造系统与装备为根基，构建跨尺度结构设计与增材制造理论与技术体系，服务航天、海洋等重大需求。主要研究方向：

（1）智能装备：多弧并行增材制造智能控制系统与装备、移动式3D打印机器人。

（2）创新结构：超大型点阵结构创新设计、钢板点阵混凝土复合结构创新设计。

（3）创新材料：大尺寸单晶材料增材制造、多丝材原位制备-结构制造一体化。

（4）新质装备：超大型海洋浮式平台设计与增材制造、超大翼展飞行器设计与增材制造。

团队发表文章

[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]Z. Liang, J. Wu, C. Liu, Y. Cui, Microcracking in additively manufactured tungsten: Experiment and a nano-micro-macro multiscale model, International Journal of Plasticity 186 (2025) 104264.

[3]Z. Li, B. Xue, B. Chang, S. Chang, Z. Liao, Y. Cui, C. Liu, D. Du, Influence mechanism and visual monitoring of wire deviation in wire-based electron beam directed energy deposition, Additive Manufacturing 104 (2025) 104784.

[4]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.

[5]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.

[6]Z. Liang, C. Liu, Y. Cui, A crystal plasticity-based creep model considering the concurrent evolution of point defect, dislocation, grain boundary, and void, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 193 (2024) 105836.

[7]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.

[8]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.

来源：AMF增材制造前沿
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/kSY88MzcKm-qBVAp-6g8VQ