拓扑优化篇（二）——拓扑优化设计中需要考虑的增材制造约束

建立基于拓扑优化的增材制造创新设计方法，主要包括两个关键研宄问题：

1、如何充分利用增材制造技术所提供的设计空间，发展拓扑优化方法获得优质结构构型。传统的经验设计及制造方法很难充分利用结构的多层级变化或者空间梯度变化，很难有效地提升零件的性能。因此充分利用结构的设计空间是一个重要的研究领域。

2、在拓扑优化模型中考虑增材制造工艺中存在的制造约束，保证设计结果的可制造性。增材制造可以实现复杂零部件的制备，扩展了设计空间。拓扑优化出的结果构型复杂，不能满足增材制造工艺的约束要求，难以使用传统方法制备，因此增材制造与拓扑优化结合可以充分发挥其优势。但是传统的拓扑优化方法得到的结构不能完全适用于增材制造，这是因为虽然增材制造提供了极大的成型自由度，但是其依然存在独特的制造约束。在进行拓扑优化设计时添加制造约束，可获得可直接制备的拓扑优化结构，具有重要的工程应用与研究价值。常见的增材制造约束一般有：

（1）最大/最小尺寸约束。不同的增材制造工艺具有不同的制造精度，结构的最小尺寸受喷嘴直径（FDM）或激光束宽度（SLS/SLM）影响，在设计时需考虑加工设备的制造精度，保证结构的最小尺寸大于设备精度，否则会造成打印失败，因此需要针对设备调整最大和最小尺寸限制。

（2）封闭空腔约束，在数学上等同于单连通约束。当结构模型存在封闭的孔洞时，不管SLM成型还是FDM成型，模型一旦被加工成型，其孔洞内部的残余粉末（在SLM成型过程中）或支撑材料（在FDM成型过程中）就很难去除，影响了结构的性能。因此采用增材制造应尽量避免带有封闭空腔的结构。

（3）悬垂约束。这里所说悬垂结构的悬角为零件表面与制造方向所夹的角度。增材制造是层层叠加的制造过程，因此加工零件中如果存在大悬挑结构，若其下层是粉末等材料，将无法为其提供足够的支撑力和热传递路径，结构容易产生塌陷或翘曲。添加支撑结构能够解决这些问题，维持零件自身的形状、固定工作台和制造零件的相对位置，但却意味着额外的材料损失、成形时长和后处理工作的增加，影响成形零件的表面质量。解决这个问题的另一种方法是在结构设计时就引入悬角约束来优化设计自支撑结构。这里推荐一个带程序的SCI论文：Langelaar的AM滤波器，他里面研究了悬垂约束的原理方法，可供初学者参考。

参考文献

[1]桂馨. 考虑悬挑角度和最小尺寸约束的自支撑结构拓扑优化[D].华中科技大学,2018.

[2]王心怡. 基于增材制造悬垂约束的结构拓扑优化方法研究[D].南京理工大学,2018.

[3]李取浩. 考虑连通性与结构特征约束的增材制造结构拓扑优化方法[D].大连理工大学,2017.