《Next Materials》：Microstructure, mechanical performance, and sustainability of 3D-printed steel connections for modular construction: A systematic review of wire arc additive manufacturing and powder bed fusion technologies
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本系统综述依据PRISMA 2020指南，对三维打印钢结构连接件在模块化建造中的研究现状进行了全面梳理，涵盖粉末床熔融（PBF）与定向能量沉积（DED）两大工艺体系。研究结果表明，WAAM工艺制备的钢材屈服强度为330–590 MPa，抗拉强度为444–694
本系统综述依据PRISMA 2020指南，对三维打印钢结构连接件在模块化建造中的研究现状进行了全面梳理，涵盖粉末床熔融（PBF）与定向能量沉积（DED）两大工艺体系。研究结果表明，WAAM工艺制备的钢材屈服强度为330–590 MPa，抗拉强度为444–694 MPa，延伸率可达41–57%，但沿沉积方向呈现7–20%的力学各向异性，其根源在于柱状晶粒形态及层间带状铁素体/贝氏体组织。拓扑优化设计可使打印节点减重35–75%，同时将刚度提升69%、极限弯矩承载力提高92.5%。在可持续性层面，生命周期评估（LCA）显示，经拓扑优化的DED-Arc连接件相较于传统数控加工路线可降低全球变暖潜能值（GWP）86–88%，减少材料浪费最高达95%，能耗降低45–65%。此外，WAAM钢材的腐蚀行为受层间边界元素微偏析及残余孔隙率控制，其临界点蚀温度较固溶退火锻态316L不锈钢低10–25°C，而现有的EN ISO 12944及AISC Design Guide 3等腐蚀防护规范尚无法直接适用于增材制造表面。研究人员指出，打印诱导各向异性、残余应力、有限的成形尺寸、较高的生产成本以及缺乏针对增材制造的专用设计规范与认证标准，是制约该技术规模化应用的核心障碍。未来研究应聚焦于基于人工智能与机器学习的工艺参数优化、物理信息神经网络（PINN）驱动的微观组织预测、全尺寸模块框架的系统级试验验证，以及增材制造专用腐蚀与耐久性评定规程的建立。
**论文解读：面向模块化建造的三维打印钢连接件——工艺-组织-性能-可持续性系统综述**
**一、研究背景与问题提出**
模块化建造以其预制化程度高、施工速度快、质量一致性好及废弃物少等优势，在过去二十年间获得快速发展。定量研究表明，全模块化体系相较于现浇方法可缩短施工工期50–60%，现场建造废弃物减少15.4–25.9%。钢结构模块相较于混凝土体系减重20–35%。然而，模块间连接节点的结构性能始终是制约整体稳定性和抗侧能力的核心瓶颈。传统栓接与焊接模块连接表现半刚性转动行为，侧向荷载下易产生过大层间位移，抗震耗能能力差，且现场安装精度难以保证。
增材制造（AM）技术为突破上述局限提供了变革性路径。阿姆斯特丹MX3D桥——一座采用机器人WAAM制造的12米不锈钢人行桥——验证了大型金属三维打印在实际结构工程中的可行性。尽管已有综述涉及金属增材制造的结构应用，但尚无研究系统梳理从打印工艺、微观组织到模块化连接节点力学性能的完整过程-结构-性能（PSP）链条，也缺乏将腐蚀耐久性与生命周期评估结果纳入统一框架的综合分析。针对此空白，本研究首次以完整PSP链条为主线，整合WAAM与PBF两种工艺下钢连接件的微观组织表征、力学性能、腐蚀行为、可持续性评估及未来智能化发展方向，形成面向模块化建造的3D打印钢连接件系统综述。
**二、研究内容与主要结论**
研究人员依据PRISMA 2020指南，从Scopus、Web of Science和Google Scholar三个数据库检索2014–2026年间文献，共获得775条记录，经去重（删除198条）、标题/摘要筛选及全文评审后纳入95篇同行评审出版物，其中42篇提供了可提取的实验力学性能数据。通过VOSviewer关键词共现分析识别出五个主要研究集群：WAAM工艺与微观组织、力学性能与各向异性、拓扑优化与设计、生命周期评估与可持续性、模块化建造与连接。系统分析得出以下核心结论：拓扑优化结合增材制造可使节点减重35–75%，部分案例刚度提升69%、极限弯矩承载力提升92.5%；WAAM连接件屈服强度为330–590 MPa，微观各向异性为13–20%；经拓扑优化的DED-Arc连接件与传统制造路线相比，全球变暖潜能值（GWP）降低最高达88%，材料浪费减少最高达95%。
**三、关键技术方法**
本研究为系统综述，主要方法包括：PRISMA 2020循证文献筛选流程（来源数据库包括Scopus、Web of Science和Google Scholar）；VOSviewer关键词共现文献计量分析；对纳入研究按年代、AM工艺、合金类型和研究类型进行分类编码；提取实验力学性能数据进行跨研究综合对比；归纳微观组织表征技术（EBSD、XRD、SEM/EDS、TEM、DIC、μCT）及其应用场景；汇总LCA研究的环境影响边界与方法学差异。
**四、主要研究结果**
**（一）增材制造工艺与微观组织特征**
PBF工艺具有高分辨率（层厚20–50 μm）和高致密度（>99%），但沉积速率低（约50 g/h）、构建体积受限。WAAM工艺沉积速率达4–9 kg/h，可制造长达5000 mm的构件，丝材成本约为粉末的十分之一，但表面粗糙度较高（20–35 μm Ra）。WAAM与DED工艺中，快速热循环导致粗大柱状晶沿热流方向生长，固态相变后形成带状铁素体/贝氏体组织，层间热影响区出现晶粒粗化和局部软化——这是力学各向异性的主要微观根源。WAAM钢材屈服强度各向异性7–13%，抗拉强度各向异性5–8%。残余应力可高达390 MPa（DED马氏体不锈钢，XRD实测）。
**（二）设计优化策略**
拓扑优化（TO）算法通过移除低效材料揭示最优传力路径。Buchanan和Gardner报道的Arup钢节点减重75%，结构总重降低40%。Gil等对梁柱节点进行TO并结合SLM不锈钢打印，实现刚度提升69%、极限弯矩承载力提高92.5%、减重35%。功能梯度材料（FGM）通过沉积过程中调整粉末混合或多丝送进实现成分渐变，不锈钢到Inconel 625梯度件的硬度从160 HV渐增至250 HV，可缓解应力集中并提升能量吸收能力。互锁几何设计减少了对传统紧固件的依赖，仿生拓扑优化将管节点峰值应力降低81%。
**（三）力学性能综合评估**
WAAM钢材极限抗拉强度在0°、45°、90°方向分别为559、518、515 MPa，取向差异最高达20%。优化后的WAAM T型节点极限荷载为313.6 kN，较未优化版本提升15%，塑性抗力提高30–40%。WAAM不锈钢T型 stub连接件的极限承载力为84.9–171.5 kN，初始刚度为7.3–29.8 kN/mm，现有设计规范系统性低估其承载力。3D打印连接节点初始转动刚度2450 kNm/rad，与传统栓焊节点（2420 kNm/rad）相当。WAAM钢材弹性模量194–218 GPa，略低于常规钢（205–210 GPa）。连接件表现出延性破坏特征，最大塑性变形14.8–45.8 mm，伴随塑性铰形成后的翼缘断裂或螺栓破坏。WAAM ER70S-6钢在中高应变幅（±0.5–2%）下表现循环硬化，低应变幅（±0.2%）下持续软化。机加工试样疲劳寿命较打印态延长75–90%，荷载垂直沉积方向时寿命较短。WAAM 316L不锈钢因互锁晶粒形态引起裂纹路径偏转，其裂纹扩展阻力优于热轧和SLM态316L。
**（四）后处理与腐蚀耐久性**
热等静压（HIP）在约1150°C、100 MPa条件下将孔隙率从0.1–0.5%降至0.05%以下，疲劳寿命提升30–50%。去应力退火（600–700°C，2–4 h）可降低残余应力60–80%且基本保持沉积态晶粒结构。层间轧制通过引入塑性变形促进再结晶，使90°方向屈服强度提升15–20%。腐蚀方面，WAAM碳钢的层间边界因元素微偏析形成电化学势差，成为晶间腐蚀和电偶腐蚀的优先通道。WAAM 316L不锈钢中Cr耗尽区使临界点蚀温度较固溶退火态低10–25°C。层间孔隙率（0.1–0.5%）为水分侵入提供了内部路径。固溶退火（1050–1100°C水淬）可恢复接近锻态的耐蚀性，表面钝化处理（ASTM A967）可将临界点蚀温度恢复至锻态差异5°C以内。
**（五）可持续性与生命周期评估**
WAAM钢梁相较于等强度热轧梁，环境影响降低7%（碳钢）至24%（不锈钢）。结合拓扑优化的DED-Arc连接件较CNC铣削件GWP降低86–88%，材料效率提高59–85%（WAAM）对比21–35%（CNC铣削），能耗降低45–65%。WAAM工艺环境影响的主要贡献者为电力消耗和氩气保护气（占总工艺影响32–73%）。现有LCA研究均未控制制造现场电网碳强度，且尚无端部寿命或构件再利用数据，距真正摇篮到摇篮评估仍存在差距。
**（六）挑战与未来方向**
当前主要瓶颈包括：打印诱导各向异性与残余应力（厚截面屈服强度降幅可达30–40%）；WAAM生产成本15–40 USD/kg vs. 热轧钢2–5 USD/kg；Eurocode 3和AISC 360对WAAM栓接节点承载力预测偏高最高20%；缺乏AM专用腐蚀评定规程。未来研究前沿包括：机器学习用于工艺参数优化（预测误差低于5–10%）、物理信息神经网络预测温度分布与晶粒形态、逆设计发掘新型丝材合金、数字孪生闭环过程控制；嵌入式传感（光纤布拉格光栅、压电元件）在WAAM电弧沉积热循环中的存活验证；全尺寸模块框架在重力-风-地震组合荷载下的系统级试验；以及基于可靠度理论的AM节点设计规范校准。
**五、讨论与结论**
现有试验证据主要集中在构件和节点层面，尚缺乏含3D打印连接节点的完整模块框架在循环荷载下的系统级试验数据，这是规范化的关键障碍。腐蚀-疲劳交互作用、防火性能、多材料梯度连接结构等维度研究仍属空白。数字孪生与数据驱动认证路径（如INTEGRADDE项目）有望弥合从实验验证到规范采纳之间的鸿沟。本综述系统整合了WAAM与PBF钢连接件在工艺-组织-性能-可持续性全链条的知识现状，明确了拓扑优化结合增材制造可实现35–75%减重且力学性能不降反升的核心结论，同时揭示了打印各向异性、残余应力、成本壁垒和规范缺失等关键瓶颈，为模块化建造中3D打印钢连接件的进一步研究与工程应用提供了系统的知识图谱与优先级排序的研究路线图。
