作 者

高涵琪、李恒芮、邵丹丹、方乃文、苗玉刚、Stephen Pan、李会军、张波、彭志科、吴斌涛

机 构

宁夏大学、中国船舶集团黄埔文冲船舶有限公司、哈尔滨焊接研究所有限公司、哈尔滨工程大学、伍伦贡大学、上海交通大学

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. 7 042004.

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

一、文章导读

电弧熔丝增材制造凭借其高沉积效率、低制造成本、作业环境开放等优势，获得航空航天、武器装备等领域高度关注。然而，零部件制造中形成的宏观和微观缺陷仍然限制了结构的服役寿命及该技术的规模化应用。

近期，宁夏大学吴斌涛、彭志科教授团队联合中国船舶集团黄埔文冲船舶有限公司邵丹丹高级工程师团队、哈尔滨焊接研究所有限公司方乃文教授团队、哈尔滨工程大学苗玉刚教授团队、澳大利亚伍伦贡大学李会军、Stephan Pan教授团队，在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为《Towards quality controllable strategies in wire-arc directed energy deposition》的文章，综述了电弧熔丝增材制造过程中的质量控制策略方面的前沿进展，提出了数字孪生、可视化及人机交互等智能系统在控制方向的应用，为该领域智能化和高质量制造提供了新的思路与启示。

图1. 金属电弧熔丝增材制造质量控制方法

二、图文解析

文章从电弧熔丝增材制造现有挑战出发，总结了制造结构在宏观和微观上的常见缺陷（图2）及其产生原因与影响。然后针对现有的这些缺陷，从工艺过程的四个方面提出质量控制策略，包括路径规划、过程监测、辅助工艺和后处理。以此为基础，提出了电弧熔丝增材制造领域在过程控制方向发展的思考。

图2. 电弧增材制造结构宏观及微观缺陷

在沉积之前，路径规划从根本上影响着结构几何精度及性能。理想的路径规划策略可以实现连续、均匀的沉积，并进一步生产出符合商业标准的零件。路径规划策略可以整合各种算法以合理划分沉积区域，进一步实现自适应路径规划。如图 3所示，根据沉积件的几何形状，目前路径规划策略主要针对单层、块体、墙体、拓扑结构和复杂结构。

图3. 不同结构的路径规划

在沉积过程中，电弧熔丝增材制造需要集成过程监测和实时反馈控制的综合系统以实现沉积层几何精度和缺陷控制。在线监控系统可降低产品缺陷率、节约成本并提高生产率。近年来出现了许多新的过程控制的方法和算法，如图4所示。本文从单传感器监测、多传感器监测、监测方法和监测算法四个方面总结过程监测的创新方法。

图4. 创新监测方法和监测算法

另外，外场辅助工艺也是提升制造结构质量的关键。如图5所示，当前常见的外场辅助工艺包括机械、超声、激光、磁场等，通过集成到制造系统组件的各部分，改善过程控制、组织晶粒、减少热应力及变形、提高成形精度和成形质量，文章对近年来的外场辅助增材制造研究进行了全面讨论。

图5. 外场辅助电弧熔丝增材制造

三、总结与展望

要实现金属高性能电弧熔丝增材制造，提升结构构件服役寿命，仍是一个巨大挑战。经过系统的文献综述和讨论，文章提出以质量为控制核心的工艺框架，旨在实现全流程高质量制造，如图6所示。此外，要解决沉积构件宏观及微观缺陷问题，需要考虑全流程工艺改进，涉及大量多源数据，可以汇总形成独有的数据库，用于建立基于物理的模型和数据驱动的模型，为未来基于人工智能的控制过程提供数据来源。未来新型人工智能算法将彻底改变电弧熔丝增材制造过程，也是进一步打造智能电弧熔丝增材制造装备统的关键。

图6. 电弧熔丝增材制造质量控制

四、作者与团队简介

通讯作者：吴斌涛，教授，博导，从事金属增材制造（3D打印）及其应用研究，主持及参与工信部专项课题、国家重点研发计划课题等项目共计14项；获得 2022 年国家高层次留学人才回国资助人选，获宁夏杰出青年项目；近年来，在AM、JMST等国内外知名学术期刊发表学术论文共计70余篇，引用量4000余次（google scholar），h-index 25，连续入选2023，2024全球前2%顶尖科学家榜单；授权中国发明专利 6项；担任AM、JMST、Corrosion Science等10余本国际知名期刊审稿人。

第一作者：高涵琪，宁夏大学材料与新能源学院硕士研究生，金属电弧熔丝增材制造性能预测方法。

宁夏大学增材制造与先进成型团队，主要针对增材制造智能装备、全流程技术（材料设计、路径规划、工艺制备、过程监测、性能评价、后处理）开展研究，是以装备制造、高性能材料、功能器件为主的产学研综合应用研究团队。团队的主要方向涉及：增材制造智能装备与工艺、高性能金属材料设计与制造、金属定向凝沉积形核与凝固、自动化焊接与再制造等。