机械工程学报

作者：夏令伟, 谢亿民, 马国伟

单位：1. 河北工业大学智慧基础设施研究院 天津 300401;2. 皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心 墨尔本 3001 澳大利亚

关键词：增材制造,结构优化,路径优化,设计制造一体化；

基金：国家自然科学基金资助项目(U20A20313)。

多孔结构具有优异的综合性能，得到广泛工程应用。相较于等材制造和减材制造，3D打印增材制造在多孔结构的制备上更加灵活、效率更高。然而，其复杂的拓扑形态导致打印路径的不连续和不均匀填充，降低成型质量和力学性能。针对上述问题，提出了基于Voronoi骨架的多孔结构与路径协同优化方法。在结构优化的基础上，通过施加制造约束考虑路径优化问题，生成适合3D打印的多孔结构。结构的材料分布可根据受力状态进行调整，以周期和梯度两种形态构造Voronoi多孔单元。结合深度优先检索算法，优化结构采用Voronoi骨架偏置而成的全局连续路径填充。计算结果显示协同优化方法解决了路径的整数倍和自交问题，实现了多孔结构的均匀打印；消除了路径断点和喷头空驶产生的打印缺陷。通过挤出成型增材制造技术验证了可行性。力学实验证明由于协同优化方法实现了多孔结构的高质量打印，打印构件的力学性能明显优于传统方法。本研究为实现3D打印多孔结构的高性能化、推动材料-结构-性能一体化设计具有重要作用。

来源：2024年第19期

《机械工程学报》期刊编辑部

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