供稿人：万永康、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-03-07
增材制造（Additive Manufacturing, AM）近年来因其能高效制造复杂几何形状的能力，广泛应用于建筑工程和其他工业领域。然而，由于重力引起的悬垂效应，打印过程中常需额外的支撑结构以防止构件变形或坍塌，这不仅增加了材料消耗，还会在移除支撑结构后影响表面质量。现有研究通过拓扑优化（Topology Optimization, TO）设计自支撑结构以减少对支撑的依赖，但大多集中于传统的三轴增材制造（3-axis AM）。这类方法因构建方向单一，往往会牺牲结构刚度。相比之下，多轴增材制造（Multi-Axis AM）提供了灵活的构建方向，但如何结合多轴技术进行结构优化尚未充分研究。
浙江大学Guo等学者针对三轴增材制造只能单一方向沉积材料的问题，开发出多轴增材制造并设计三维自支撑结构。通过利用多轴系统的可旋转基础平台，该方法能自动识别优化的局部构建方向及相应的结构拓扑，以最小化悬垂（图1A）。该方法的有效性通过几个数值示例得以证明，结果通过在VERICUT中的打印模拟进行数值验证，并通过使用多轴线弧增材制造（WAAM）机进行物理验证。结果表明，采用基于多轴的方法可以将三轴基于悬垂约束造成的性能下降减少到可忽略的水平，相比三轴AM的最大性能下降20%以上，多轴方案均控制在10%以内。并且，通过优化局部构建方向与整体打印路径，有效避免了打印喷嘴与已打印部分的碰撞（图1B）。
图1 多轴WAAM打印平台及打印策略
总结而言，该研究提供了一种全新的增材制造优化方法，结合拓扑优化与多轴打印技术，拓宽了结构设计与制造的自由度。并且，通过设计和制造一体化的优化方法，不仅提升了打印质量，还提高了增材制造技术的工业适用性。这项研究对促进建筑和制造领域的技术进步具有重要推动作用。