供稿人：萬永康、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-03-07
增材制造（Additive Manufacturing, AM）近年來因其能高效制造復(fù)雜幾何形狀的能力，廣泛應(yīng)用于建筑工程和其他工業(yè)領(lǐng)域。然而，由于重力引起的懸垂效應(yīng)，打印過程中常需額外的支撐結(jié)構(gòu)以防止構(gòu)件變形或坍塌，這不僅增加了材料消耗，還會在移除支撐結(jié)構(gòu)后影響表面質(zhì)量?，F(xiàn)有研究通過拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization, TO）設(shè)計自支撐結(jié)構(gòu)以減少對支撐的依賴，但大多集中于傳統(tǒng)的三軸增材制造（3-axis AM）。這類方法因構(gòu)建方向單一，往往會犧牲結(jié)構(gòu)剛度。相比之下，多軸增材制造（Multi-Axis AM）提供了靈活的構(gòu)建方向，但如何結(jié)合多軸技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化尚未充分研究。
浙江大學(xué)Guo等學(xué)者針對三軸增材制造只能單一方向沉積材料的問題，開發(fā)出多軸增材制造并設(shè)計三維自支撐結(jié)構(gòu)。通過利用多軸系統(tǒng)的可旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)平臺，該方法能自動識別優(yōu)化的局部構(gòu)建方向及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)?，以最小化懸垂（圖1A）。該方法的有效性通過幾個數(shù)值示例得以證明，結(jié)果通過在VERICUT中的打印模擬進(jìn)行數(shù)值驗證，并通過使用多軸線弧增材制造（WAAM）機(jī)進(jìn)行物理驗證。結(jié)果表明，采用基于多軸的方法可以將三軸基于懸垂約束造成的性能下降減少到可忽略的水平，相比三軸AM的最大性能下降20%以上，多軸方案均控制在10%以內(nèi)。并且，通過優(yōu)化局部構(gòu)建方向與整體打印路徑，有效避免了打印噴嘴與已打印部分的碰撞（圖1B）。
圖1 多軸WAAM打印平臺及打印策略
總結(jié)而言，該研究提供了一種全新的增材制造優(yōu)化方法，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化與多軸打印技術(shù)，拓寬了結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造的自由度。并且，通過設(shè)計和制造一體化的優(yōu)化方法，不僅提升了打印質(zhì)量，還提高了增材制造技術(shù)的工業(yè)適用性。這項研究對促進(jìn)建筑和制造領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要推動作用。