西工大：提出一種拓撲優化的金屬3D打印支撐結構

3D打印技術參考注意到，來自西北工業大學、加拿大滑鐵盧大學等的研究團隊，近日發表了一項將拓撲優化技術融入支撐設計的研究。

與傳統支撐相比，優化設計將支撐材料的使用量減少超過50%，切割后變形減少超過30%，同時保持了優越的精細微結構特征。該研究展示了利用殘差應力感知拓撲優化在提升LPBF零件質量和制造效率方面的實際優勢。

激光粉末床熔融3D打印技術使得制造復雜結構、功能完整的金屬部件成為可能，且后處理過程極少。在LPBF工藝中，高功率激光器選擇性掃描粉末床，逐層熔融和固化金屬粉末，期間的熱梯度和循環的加熱-冷卻不可避免地產生殘余應力。為了確保結構的穩定性和制造精度，支撐結構至關重要。

這些支撐結構具有三個關鍵功能：為懸出幾何形狀提供機械支撐、導熱，以及將零件固定在基板上以抵抗殘余應力引起的撓曲。

合理的支撐結構設計和工藝選擇，有助于減輕零件變形并降低后處理成本。支撐設計不充分可能導致過度變形、殘余應力積累以及制造成本增加。因此，開發成本效益高、能在保持機械和微觀結構完整性的同時減少材料消耗的支撐結構，仍是一項重要挑戰。

當前的LPBF流程通常依賴于商業軟件的預定義支持結構，這些結構種類有限，高度依賴用戶專業知識，主要關注結構上的懸垂約束，減輕殘余應力引起的變形則很少被明確集成到支撐設計中。

拓撲優化已被證明能夠在設計空間內實現材料的自動重新分配，實現最小順應性、減少應力集中和減少材料使用，從而設計高性能支撐結構。但是，現有的研究缺乏對殘余應力的考量以及對零件整體質量的系統性評估。

本研究采用了兩種支撐拓撲優化策略，即僅考慮重力的拓撲策略（GraOnly），和重力與參與應力聯合加載（GraAndISM）的策略。將優化后的支撐結構，與常規支撐設計以及全實心支撐進行對比。

所采用的材料為In718，均采用LPBF工藝打印，隨后分別表征零件的變形情況、殘余應力分布、微觀組織特征和顯微硬度。文章指出，選用In718的原因是其機械強度高，在高溫下的強韌性、抗疲勞性能、抗氧化性都很出色。

使用不同網格尺寸優化支撐結構的效果

傳統支撐與實體支撐

支撐結構結果：（a）僅GraOnly（b）GraAndISM（c）傳統支撐（d）實心支撐結構

實際打印結果

變形的模擬結果（a） 切割前（BC）（b） 切割后

通過數值模擬和對In718弧橋標本的實驗特性進行嚴格評估，主要發現總結如下：

1. 與傳統晶格支撐相比，GraAndISM支撐策略在切割后，零件變形量降低了30%以上，同時支撐材料消耗減少了超過50%。

2. GraAndISM支撐在變形控制方面接近全密度固體支撐，但所需材料顯著減少，體現了機械效能與制造效率之間的有效折中。

3. 支撐移除后，支撐內部會產生壓應力，并且出現顯著的應力釋放，這表明考慮殘余應力的感知支撐，除了能夠起到傳統支撐的作用外，還主動參與了應力調控。

4. 微觀結構表征表明，拓撲優化支撐相比僅重力拓撲支撐和固體支撐，能夠獲得更細的晶粒結構、減少晶格畸變，并具有更強的動態恢復能力。

5. 所有試樣的微觀硬度保持一致而且穩定，證實優化支撐策略不會損害LPBF制造的In718組件的整體機械性能。

總之，這項工作表明，將殘余應力效應納入LPBF支撐結構的拓撲優化中，顯著提升了尺寸精度、微觀結構質量和材料效率。它為金屬零部件的增材制造提供了一條更高質量、更具成本效益的制造方案。

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