上海交大 | 增材制造激光路径与结构拓扑协同优化设计新范式

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近期，上海交通大学机械与动力工程学院周明东教授团队在增材制造领域国际知名期刊《Additive Manufacturing》上发表了题为“Concurrent optimization of laser scanning path and structural topology for thermal distortion control in additive manufacturing”的研究论文，提出了一种增材制造激光路径与本体-支撑结构拓扑协同优化设计方法，旨在解决分离式迭代设计热变形控制难、研发周期长、制造成本高的问题，实现在保证整体结构制造过程热变形可控的情况下，本体结构力学性能优化并降低支撑材料用量。推动“先结构设计，再工艺调控”的传统应用模式走向“性能、质量驱动的结构-工艺一体化设计”新阶段。本期谷·专栏将对该研究解决的核心问题及创新点进行分享。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.105046

论文第一作者为上海交通大学博士研究生黄晓禹，通讯作者为上海交通大学教授周明东，合作者包括南方科技大学熊异长聘副教授。

核心问题

结构拓扑优化与激光增材制造结合可实现高性能复杂轻质构型设计制造，但增材拓扑构件在制造过程易产生大热变形，严重成形质量。传统“先拓扑优化，再工艺调控”的模式通常先以机械性能为指标对本体拓扑构型开展优化设计，再通过支撑布局设计与激光扫描策略优化来降低热变形。然而，由于本体、支撑、激光路径相互依赖，共同决定性能与质量，一旦初始设计难满足热变形指标，需对三者反复调整试错，导致设计冗余、研发周期长、成本高的问题。

方法创新

本研究提出一种激光路径与本体拓扑、支撑拓扑协同优化设计方法，将变密度法与棋盘格扫描模式结合来灵活地对复杂结构拓扑及其激光路径进行一体化参数表达，基于固有应变法对变激光路径下拓扑结构的热变形进行高效预测和控制。采用悬空角约束与最小特征尺寸控制保证优化设计结构满足几何可制造性。

与仅结构拓扑优化设计结果相比，所提协同优化方法能够在本体构型力学性能接近的情况下，显著降低支撑结构材料用量。此外，相比“先结构优化，再路径优化”的设计模式，协同优化在热变形控制方面展现出更优的效果。

图文解析

图1本体结构、支撑结构与激光扫描路径一体化参数模型示意图（支撑结构采用固定扫描模式，本图未展示）。

图2 拱形结构拓扑与激光路径协同优化结果：（a）实体本体结构（黄色）与点阵支撑结构（灰色），（b）本体结构的激光路径（仅展示部分层）。

意义与展望

本研究所提协同优化方法适用于复杂几何构型及其激光路径优化，为实际增材制造场景中遇到的结构与工艺匹配难题提供了一种实用的解决方案。未来可以将更多工艺参数（包括激光功率、扫描速度、打印方向和扫描时序）纳入该优化框架，进一步扩大其适用范围并提高结构性能与质量，推动增材制造结构创新向着“结构-工艺-性能一体化设计”方向发展。

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投稿 丨daisylinzhu 微信

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