西工大：提出一种拓扑优化的金属3D打印支撑结构

3D打印技术参考注意到，来自西北工业大学、加拿大滑铁卢大学等的研究团队，近日发表了一项将拓扑优化技术融入支撑设计的研究。

与传统支撑相比，优化设计将支撑材料的使用量减少超过50%，切割后变形减少超过30%，同时保持了优越的精细微结构特征。该研究展示了利用残差应力感知拓扑优化在提升LPBF零件质量和制造效率方面的实际优势。

激光粉末床熔融3D打印技术使得制造复杂结构、功能完整的金属部件成为可能，且后处理过程极少。在LPBF工艺中，高功率激光器选择性扫描粉末床，逐层熔融和固化金属粉末，期间的热梯度和循环的加热-冷却不可避免地产生残余应力。为了确保结构的稳定性和制造精度，支撑结构至关重要。

这些支撑结构具有三个关键功能：为悬出几何形状提供机械支撑、导热，以及将零件固定在基板上以抵抗残余应力引起的挠曲。

合理的支撑结构设计和工艺选择，有助于减轻零件变形并降低后处理成本。支撑设计不充分可能导致过度变形、残余应力积累以及制造成本增加。因此，开发成本效益高、能在保持机械和微观结构完整性的同时减少材料消耗的支撑结构，仍是一项重要挑战。

当前的LPBF流程通常依赖于商业软件的预定义支持结构，这些结构种类有限，高度依赖用户专业知识，主要关注结构上的悬垂约束，减轻残余应力引起的变形则很少被明确集成到支撑设计中。

拓扑优化已被证明能够在设计空间内实现材料的自动重新分配，实现最小顺应性、减少应力集中和减少材料使用，从而设计高性能支撑结构。但是，现有的研究缺乏对残余应力的考量以及对零件整体质量的系统性评估。

本研究采用了两种支撑拓扑优化策略，即仅考虑重力的拓扑策略（GraOnly），和重力与参与应力联合加载（GraAndISM）的策略。将优化后的支撑结构，与常规支撑设计以及全实心支撑进行对比。

所采用的材料为In718，均采用LPBF工艺打印，随后分别表征零件的变形情况、残余应力分布、微观组织特征和显微硬度。文章指出，选用In718的原因是其机械强度高，在高温下的强韧性、抗疲劳性能、抗氧化性都很出色。

使用不同网格尺寸优化支撑结构的效果

传统支撑与实体支撑

支撑结构结果：（a）仅GraOnly（b）GraAndISM（c）传统支撑（d）实心支撑结构

实际打印结果

变形的模拟结果（a） 切割前（BC）（b） 切割后

通过数值模拟和对In718弧桥标本的实验特性进行严格评估，主要发现总结如下：

1. 与传统晶格支撑相比，GraAndISM支撑策略在切割后，零件变形量降低了30%以上，同时支撑材料消耗减少了超过50%。

2. GraAndISM支撑在变形控制方面接近全密度固体支撑，但所需材料显著减少，体现了机械效能与制造效率之间的有效折中。

3. 支撑移除后，支撑内部会产生压应力，并且出现显著的应力释放，这表明考虑残余应力的感知支撑，除了能够起到传统支撑的作用外，还主动参与了应力调控。

4. 微观结构表征表明，拓扑优化支撑相比仅重力拓扑支撑和固体支撑，能够获得更细的晶粒结构、减少晶格畸变，并具有更强的动态恢复能力。

5. 所有试样的微观硬度保持一致而且稳定，证实优化支撑策略不会损害LPBF制造的In718组件的整体机械性能。

总之，这项工作表明，将残余应力效应纳入LPBF支撑结构的拓扑优化中，显著提升了尺寸精度、微观结构质量和材料效率。它为金属零部件的增材制造提供了一条更高质量、更具成本效益的制造方案。

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