，金色開放獲取

1

作 者

高涵琪、李恒芮、邵丹丹、方乃文、苗玉剛、Stephen Pan、李會軍、張波、彭志科、吳斌濤

2

機 構

寧夏大學、中國船舶集團黃埔文沖船舶有限公司、哈爾濱焊接研究所有限公司、哈爾濱工程大學、伍倫貢大學、上海交通大學

3

Citation

Gao H Q, Li H R, Shao D D, Fang N W, Miao Y G, Pan Z X, Li H J, Zhang B, Peng Z K, Wu B T. 2025. Towards quality controllable strategies in wire-arc directed energy deposition. Int. J. Extrem. Manuf.7042004.

免費獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/adb9a9

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

電弧熔絲增材制造憑借其高沉積效率、低制造成本、作業環境開放等優勢，獲得航空航天、武器裝備等領域高度關注。然而，零部件制造中形成的宏觀和微觀缺陷仍然限制了結構的服役壽命及該技術的規模化應用。

近期，寧夏大學吳斌濤、彭志科教授團隊聯合中國船舶集團黃埔文沖船舶有限公司邵丹丹高級工程師團隊、哈爾濱焊接研究所有限公司方乃文教授團隊、哈爾濱工程大學苗玉剛教授團隊、澳大利亞伍倫貢大學李會軍、Stephan Pan教授團隊，在SCI期刊《極端制造（英文）》期刊上發表了題為《Towards quality controllable strategies in wire-arc directed energy deposition》的文章，綜述了電弧熔絲增材制造過程中的質量控制策略方面的前沿進展，提出了數字孿生、可視化及人機交互等智能系統在控制方向的應用，為該領域智能化和高質量制造提供了新的思路與啟示。

圖1金屬電弧熔絲增材制造質量控制方法。

02

圖文解析

文章從電弧熔絲增材制造現有挑戰出發，總結了制造結構在宏觀和微觀上的常見缺陷（圖2）及其產生原因與影響。然后針對現有的這些缺陷，從工藝過程的四個方面提出質量控制策略，包括路徑規劃、過程監測、輔助工藝和后處理。以此為基礎，提出了電弧熔絲增材制造領域在過程控制方向發展的思考。

圖2電弧增材制造結構宏觀及微觀缺陷。

在沉積之前，路徑規劃從根本上影響著結構幾何精度及性能。理想的路徑規劃策略可以實現連續、均勻的沉積，并進一步生產出符合商業標準的零件。路徑規劃策略可以整合各種算法以合理劃分沉積區域，進一步實現自適應路徑規劃。如圖 3所示，根據沉積件的幾何形狀，目前路徑規劃策略主要針對單層、塊體、墻體、拓撲結構和復雜結構。

圖3不同結構的路徑規劃。

在沉積過程中，電弧熔絲增材制造需要集成過程監測和實時反饋控制的綜合系統以實現沉積層幾何精度和缺陷控制。在線監控系統可降低產品缺陷率、節約成本并提高生產率。近年來出現了許多新的過程控制的方法和算法，如圖4所示。本文從單傳感器監測、多傳感器監測、監測方法和監測算法四個方面總結過程監測的創新方法。

圖4創新監測方法和監測算法。

另外，外場輔助工藝也是提升制造結構質量的關鍵。如圖5所示，當前常見的外場輔助工藝包括機械、超聲、激光、磁場等，通過集成到制造系統組件的各部分，改善過程控制、組織晶粒、減少熱應力及變形、提高成形精度和成形質量，文章對近年來的外場輔助增材制造研究進行了全面討論。

圖5外場輔助電弧熔絲增材制造。

03

總結與展望

要實現金屬高性能電弧熔絲增材制造，提升結構構件服役壽命，仍是一個巨大挑戰。經過系統的文獻綜述和討論，文章提出以質量為控制核心的工藝框架，旨在實現全流程高質量制造，如圖6所示。此外，要解決沉積構件宏觀及微觀缺陷問題，需要考慮全流程工藝改進，涉及大量多源數據，可以匯總形成獨有的數據庫，用于建立基于物理的模型和數據驅動的模型，為未來基于人工智能的控制過程提供數據來源。未來新型人工智能算法將徹底改變電弧熔絲增材制造過程，也是進一步打造智能電弧熔絲增材制造裝備統的關鍵。

圖6電弧熔絲增材制造質量控制。

04

作者與團隊簡介

作者簡介

通訊作者：吳斌濤，教授，博導，從事金屬增材制造（3D打印）及其應用研究，主持及參與工信部專項課題、國家重點研發計劃課題等項目共計14項；獲得 2022 年國家高層次留學人才回國資助人選，獲寧夏杰出青年項目；近年來，在AM、JMST等國內外知名學術期刊發表學術論文共計70余篇，引用量4000余次（google scholar），h-index 25，連續入選2023，2024全球前2%頂尖科學家榜單；授權中國發明專利 6項；擔任AM、JMST、Corrosion Science等10余本國際知名期刊審稿人。

第一作者：高涵琪，寧夏大學材料與新能源學院碩士研究生，金屬電弧熔絲增材制造性能預測方法。

團隊簡介

寧夏大學增材制造與先進成型團隊，主要針對增材制造智能裝備、全流程技術（材料設計、路徑規劃、工藝制備、過程監測、性能評價、后處理）開展研究，是以裝備制造、高性能材料、功能器件為主的產學研綜合應用研究團隊。團隊的主要方向涉及：增材制造智能裝備與工藝、高性能金屬材料設計與制造、金屬定向凝沉積形核與凝固、自動化焊接與再制造等。

增材制造鎂及鎂合金：工藝-成形性-組織-性能關系和內在機制

耐熱鋁合金增材制造研究進展

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

? 金色開放獲取

? 提供綠色通道快速評審原創突破性成果

? 接收后24h內在線

? 免費全球化宣傳推廣

? 免費高質量圖片編輯與規范化文獻校對

專題征稿

Call for Papers

動態封面

2024-06

2024-05

2024-04

2024-03

2024-02

2024-01

2023-04

2023-03

2023-02

2023-01

? 更多往期 點此獲取 ?

微信號丨IJEM-Editor

掃碼加小編微信

邀您進極端制造群

撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

本文旨在傳遞、分享最新科研信息。如涉及作品版權問題，請及時聯系我們，我們會及時處理以保障您的權益。感謝一直關注和支持本公眾號的朋友們！