近期，上海交通大学机械与动力工程学院周明东教授团队在增材制造领域国际知名期刊《Additive Manufacturing》上发表了题为“Concurrent optimization of laser scanning path and structural topology for thermal distortion control in additive manufacturing”的研究论文，提出了一种增材制造激光路径与本体-支撑结构拓扑协同优化设计方法，旨在解决分离式迭代设计热变形控制难、研发周期长、制造成本高的问题，实现在保证整体结构制造过程热变形可控的情况下，本体结构力学性能优化并降低支撑材料用量。推动“先结构设计，再工艺调控”的传统应用模式走向“性能、质量驱动的结构-工艺一体化设计”新阶段。本期谷·专栏将对该研究解决的核心问题及创新点进行分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.105046

论文第一作者为上海交通大学博士研究生黄晓禹，通讯作者为上海交通大学教授周明东，合作者包括南方科技大学熊异长聘副教授。

 核心问题

结构拓扑优化与激光增材制造结合可实现高性能复杂轻质构型设计制造，但增材拓扑构件在制造过程易产生大热变形，严重成形质量。传统“先拓扑优化，再工艺调控”的模式通常先以机械性能为指标对本体拓扑构型开展优化设计，再通过支撑布局设计与激光扫描策略优化来降低热变形。然而，由于本体、支撑、激光路径相互依赖，共同决定性能与质量，一旦初始设计难满足热变形指标，需对三者反复调整试错，导致设计冗余、研发周期长、成本高的问题。

方法创新

本研究提出一种激光路径与本体拓扑、支撑拓扑协同优化设计方法，将变密度法与棋盘格扫描模式结合来灵活地对复杂结构拓扑及其激光路径进行一体化参数表达，基于固有应变法对变激光路径下拓扑结构的热变形进行高效预测和控制。采用悬空角约束与最小特征尺寸控制保证优化设计结构满足几何可制造性。

与仅结构拓扑优化设计结果相比，所提协同优化方法能够在本体构型力学性能接近的情况下，显著降低支撑结构材料用量。此外，相比“先结构优化，再路径优化”的设计模式，协同优化在热变形控制方面展现出更优的效果。

 图文解析

图1本体结构、支撑结构与激光扫描路径一体化参数模型示意图（支撑结构采用固定扫描模式，本图未展示）。

图2 拱形结构拓扑与激光路径协同优化结果：（a）实体本体结构（黄色）与点阵支撑结构（灰色），（b）本体结构的激光路径（仅展示部分层）。

 意义与展望

本研究所提协同优化方法适用于复杂几何构型及其激光路径优化，为实际增材制造场景中遇到的结构与工艺匹配难题提供了一种实用的解决方案。未来可以将更多工艺参数（包括激光功率、扫描速度、打印方向和扫描时序）纳入该优化框架，进一步扩大其适用范围并提高结构性能与质量，推动增材制造结构创新向着“结构-工艺-性能一体化设计”方向发展。

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▲文献信息：
Ren, Hongyuan, et al. “AMRTO: Automated CAD model reconstruction of topology optimization result.” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 435 (2025): 117673.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cma.2024.117673

3D科学谷洞察

在拓扑优化设计中平衡可编辑性和设计自由度是一个挑战，开发自动从拓扑优化结果重构CAD模型的方法，清华大学提出的AMRTO框架，能够生成光滑、显式、精确且易于编辑的边界表示（B-rep）模型，有效缩减控制点数量和NURBS面片数量，降低模型复杂度及下游应用难度。”

与尺寸或形状优化相比，拓扑优化（Topology Optimization）提供了更大的设计自由度，在航空航天、电子芯片、汽车、机械制造等领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前拓扑优化的设计结果难以直接应用于工业设计与制造。其原因在于，目前最流行的拓扑优化方法所产生的最优拓扑缺乏显式的、CAD友好的表达形式。经过常规平滑化后处理后，拓扑优化结果通常以三角面片网格表示，编辑困难且缺乏参数控制，传统的人工重构过程繁琐复杂且严重依赖设计人员的经验。若将下游应用需求纳入拓扑优化算法约束，则会减小设计空间，可能降低优化性能。主流商业软件的重构方法鲁棒性差、生成模型的NURBS面片和控制点数量过多，对设计探索和详细参数设计等下游应用带来了挑战。

为此，来自清华大学航天航空学院的杜建镔课题组提出了一种从复杂拓扑优化结果自动重构CAD模型的通用框架和方法，能够生成光滑、显式、精确、且易于编辑的边界表示（B-rep）模型。该方法将模型光滑化、重网格化、广义摩托车图法、改进的调和映射、自适应采样、多分辨率控制策略等有机结合，实现了全自动程序处理，可取代传统繁琐低效的拓扑优化结果的人工模型重建。

该方法可有效缩减控制点数量和NURBS面片数量，使所生成的模型的复杂度及下游应用（如参数优化、二次设计）难度得以进一步降低，对于推动工业结构从概念（拓扑）设计到详细（参数、形状）设计的一体化和自动化具有重要意义，也有助于推动拓扑优化、计算机图形学及CAD/CAM等交叉领域的理论发展与技术创新。

▲CAD模型重构框架

▲重构CAD模型及有限元网格生成

▲主流商业软件重构结果，子图（a）-（e）分别对应Rhino 7、HyperMesh 2021、Geomagic Studio 12、nTopology 5.3.2、Design X 2022软件。

重构模型详细参数对比

基于测地线的调和映射初始化策略

▲NURBS面片的多分辨率控制策略

▲悬臂梁模型的CAD重构流程

▲悬臂梁模型商业软件重构结果，子图（a）-（d）分别对应HyperMesh 2021、Geomagic Studio 12、nTopology 5.3.2、Design X 2022软件。

重构CAD模型详细参数对比

多分辨率控制策略可以有效减少控制点数量

▲重构前后模型力学分析结果对比

▲本重构框架对输入网格的容忍度更高

不同输入与重构方法下计算结果对比

▲超材料模型OPT-P2重构结果对比

▲超材料模型OPT-P5重构结果对比

超材料模型OPT-P2及OPT-P5重构结果参数对比

▲重构模型中控制网格分布更均匀且控制点数量更少

Python代码（PYTOCAD）和所有测试模型均可在https://github.com/rhy-thu/AMRTO或https://zenodo.org/records/14381998上下载。该方法在多项性能指标（包括运行效率、CAD模型的NURBS面片及控制点数量、模型文件大小、鲁棒性、对输入网格的容忍度、细碎面片的数量及调控灵活性）上优于多款主流商业软件，包括Rhino 7、Hypermesh 2021、Design X 2022、nTopology 5.3.2、Geomagic Studio 12、Abaqus 6.14和COMSOL 6.2。

相关研究成果以“AMRTO: Automated CAD model reconstruction of topology optimization result”为题于2024年12月24日发表在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》（CMAME，一区Top）。清华航院2022级博士研究生任宏塬为论文的第一作者，杜建镔副教授为通讯作者，合作者包括夏博、王文睿、陈雪乾、刘洋和优解未来公司CTO周平章。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（编号：12272200）和北京优解未来科技有限公司课题项目（编号：20212002316）资助。

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根据公安部交通管理局的统计数据，截至 2023 年底，全国新能源汽车保有量达到 2041 万辆，占汽车总量的 6.07%。仅在 2023 年，就有743 万辆新能源汽车登记注册，同比显著增长 38.76%。

© 3D科学谷白皮书

电池支架作为承载并保护动力电池的主要构件，具备电池系统支撑、散热、防撞、防底部接触等重要功能。它在新能源汽车中属于最为重要的大型部件，在电池组系统里占据关键地位。目前，企业所使用的铝合金电池支架，存在重量大、成本高的严峻问题。再者，这些电池支架需承受重载。然而，铝合金的疲劳性能仅为钢的一半，其弹性模量仅为钢的三分之一，所以在设计层面存在很大的优化空间。

▲3D Systems先进的生成式设计和拓扑优化软件，工程师可以设计具有有机几何形状的支架、连接器和其他部件。

伴随电池组能量密度的市场需求逐步提升，尤其是在新能源纯电动汽车的情境下，车辆总质量降低 10%，电力消耗就会降低 5.5%，续航里程则增加 5.5%，因此我们对于电池组支架开展更多轻量化设计优化的需求愈发迫切。

3D打印技术涉及到运用专门的软件对三维模型实施切片分层，生成横截面数据，而后将其输入快速成型设备。这项技术采用逐层制造的方法来制造实体部件。鉴于这种增材制造手段，3D打印能够高效地生产近乎任何几何形状的部件。其优势涵盖能够处置单件或小批量生产、适应复杂的几何构造，并实现密集的部件组织。凭借3D打印技术的上述优势，其在新能源电动汽车电池组支架开发中的应用，对于加快开发周期以及降低相关成本具备极大的潜力。

周口师范学院机械与电气工程学院的张国庆博士在Scientific reports期刊发表了《Optimization design of battery bracket for new energy vehicles based on 3D printing technology》，在3D打印技术助力下，探究了新能源电动汽车电池组系统的性能强化潜能。

▲论文链接:
www.nature.com/articles/s41598-024-64393-x

 材料和方法

l 设计方法

电池组支架的轻量化策略主要包含轻质材料的应用以及轻量化结构设计的施行，电池组支架的轻质材料应用涵盖铝合金、高强度钢以及复合材料的采用。在众多选择里，鉴于铝合金材料的轻质特质，其成为主流之选。针对于轻量化结构设计，例如碰撞减震、散热、防水、防尘以及绝缘等方面的要素务必予以考量，尤其是在下支架设计方面。就国内纯电动汽车而言，轻量化设计通常涉及降低支架底部的厚度，同时在支架下方融入轻质孔洞来达到预期效果，拓扑优化设计正是基于上述原则。

▲某种电动汽车的电池组系统

l 制造和分析方法

由于此设计旨在开发高性能的轻量化电池支架产品，因此在产品开发阶段属于小批量零件生产的范畴。传统的制造方法，如机械加工、铸造和焊接会极大提高成本，主要依靠3D打印来制造这类复杂零件。为此，使用了联泰科技的Lite600工业高精度3D打印机。

3D打印的支架、外壳和轻量化电池支架需要先表面处理，进行支撑去除，接着用砂纸进行粗抛光，最后用抛光布进行抛光。表面处理过程完成后，将完成的电池组系统组件进行组装以验证配合度。

l 电动汽车下电池托架的强度分析

为便于分析，将设计的下支架模型按比例缩小 0.2 倍。采用 Inspire 软件对下支架进行强度分析。具体的模拟参数如下：导入零件后，单位设置为毫米、千克、牛顿和秒，分析材料为铝合金Al 6061。由于电池支架上的力主要来源于电池，并且此模型中电池的重量约为 100 千克，因此确保电池安装的可靠性十分重要。

因此需要系统且全面地研究电池支架在诸如颠簸道路和急转弯等典型工作条件下的受力情况和变形情况。为了模拟电池支架在颠簸道路条件下的承载能力，在支架底面（Z 轴方向）垂直施加5倍电池重力的表面载荷。考虑到模型按比例缩小，该载荷约为 980 牛顿。固定孔被约束，并选择“更准确”的计算速度/精度进行单载荷分析，同时将分析单元尺寸设置为 5 毫米。

▲电动汽车电池托盘的装载和固定位置

基于前期所述的分析参数设定，将下电池托盘支架的初始模型导入 Altair Inspire 软件开展初始强度分析。经观察可知，下托盘支架的最大位移为1.62 毫米，依据位移分布规律，最大位移出现在电池支架的中心部位。最大米塞斯等效应力为 182.90MPa，体现出存在一些不均匀的应力分布状况，最高应力主要集中在电池支架向上折叠的凸耳部分。此外，最小安全系数大于 1.3，测定的质量值为 0.685 千克，弹性模量为 1.11 MPa，以上各项均满足设计强度标准。鉴于安全系数与弹性模量，在质量减轻方面依旧存在显著潜力。

▲电池载体的受力分析结果：（a）位移云图；（b）应力云图；（c）安全系数。

l 下电池托架的拓扑优化设计分析

为拓展新能源汽车电池托盘下支架的设计潜力，于开展拓扑优化设计之前，预先对电池托盘下支架的轻质孔进行填充可谓至关重要。在拓扑优化改良前后，为下托盘支架设定相同的力分析参数。在 Altair Inspire 软件里，将电池托盘除固定孔以外的部分指定为设计空间，于图4 中以红色凸显，其余部分视作非设计空间，于（a）中以灰色展现。为达成最优的拓扑优化成果，对电池托盘部分实施了形状控制。鉴于该模型的形状特性，设置了对称 + 单向拉出约束。优化目标确立为最大化刚度，质量指标为 30% ，优化的厚度限制为5毫米。

▲拓扑优化参数设置：（a）填充模型；（b）负载和约束设置。

铝合金电池下托盘支架的拓扑优化结果于如下图呈现，从中可观察到托盘在拓扑优化后展现出树枝状结构，诸多区域依旧未相连。即便通过调整平滑结果滑块尝试对这些缺陷予以优化，却发现毫无成效，以致难以执行 PolyNURBS 拟合。再者，鉴于模型本身所固有的复杂性，手动重建亦不可行。正因如此，怎样在保证新能源电动汽车电池组托盘的可加工性之时，切实化解与拓扑优化后模型重建相关的挑战，依然是当前新能源电动汽车电池组托盘轻量化设计的一个阻碍。

▲电池托盘拓扑优化结果：（a）调整前；（b）调整后

l 拓扑优化部件的重建解决方案

基于对拓扑优化后的电池托盘支架结构的进一步分析，托盘支架呈现为树枝状形态，枝干相互交织。传统的逆向重建方法被证明无法取得理想的重建效果。在此研究基础上，相应地提出了一种基于图像的逆向重建方法。该方法包括将拓扑优化后的模型导出为图像，并在其他 3D 软件中运用切割技术去除枝干，保留主干。这种方法以实现拓扑优化模型的可加工性，并在必要时允许重新设计。

为验证该方法的有效性及可行性，将导出的图像和模型同时导入 3D 建模软件 Rhino 6 中进行划线和切割。随后通过布尔运算进行切割，由此可以了解到重建的电池支架结构清晰。支架的下部能够通过冲压制造，而凸耳可以通过铣削或冲压生产。可以使用焊接将支架和凸耳连接起来，以符合企业要求并实现大规模生产。

▲拓扑优化模型的重构：（a）图像和模型的导入；（b）切割线的划分；（c）重构效果。

l 拓扑优化模型的 RecStrength 校准

为便于分析，电池托盘支架的重建模型以 0.2 倍比例缩小。运用 Inspire 软件对电池托盘支架进行强度分析的拓扑优化。具体的模拟参数包括：在导入部件后将单位设定为毫米、千克、牛、秒，并选取铝合金 Al 6061 作为分析材料。作用于电池托盘支架的力主要源自电池，于模型中预估其重量为100 千克。为确保电池安装的可靠性，有必要深入探究电池托盘支架在典型工况（如颠簸道路和急转弯）下的受力和变形情形。

为模拟电池托盘支架在颠簸道路条件下的承载状况，在托盘底面（Z 轴方向）垂直施加相当于电池重力 5 倍的面载荷。鉴于模型的缩放系数为 0.2，该载荷约为 980 牛。载荷于固定孔处受到约束，将计算速度/精度设置为“更准确”，并选择工作条件为单载荷条件分析。

▲电动汽车电池拓扑优化托盘的负载和约束位置

此外，最大米塞斯等效力矩的测量值达 240.7 MPa，相比未开展拓扑优化之时有所提升。不过，底部的分布更为均匀。将最小安全系数设定为 1，符合设计要求。历经拓扑优化后，支架的质量记为 0.348 kg，显著低于未优化前的 0.656 kg，降幅达 50.8%。需要留意的是，在缩放前，支架的初始质量为 85.63 kg，优化后减少了 50.8%，这表明支架的质量减轻了 42.07 kg。模量的测量值为 0.75 MPa，相较于未优化前下降了 67.6%。电池托盘底部的拓扑优化设计意在保证强度与安全性能的基础上降低整体质量，同时保证制造成本处于合理范畴，进而在安全和经济考量之间达成平衡。

▲电池载体的受力分析结果：（a）位移云图；（b）应力云图；（c）安全系数。

l 拓扑优化模型的装配分析

在装配过程中，首先借助 Altair Inspire 软件将几何重建模型导出为“.stp 格式”。而后，把重建模型导入 Rhino 6 软件，在其中用优化后的电池托盘支架替换原始模型的下托盘支架进行装配。在进行全面检查装配冲突后，确认各结构之间不存在冲突。固定支架能通过焊接与电池下托盘支架无缝衔接。另外，电池托盘支架可通过冲压实现批量生产。这种制造方法不但满足企业对可焊性、耐腐蚀性以及抗冲击性的要求，还契合自动化和大规模生产的需要。

▲电池组、托盘和支架的装配效果

 拓扑优化模型的3D打印和装配验证

l 3D打印部件的数据处理

在一定程度上讲，于零件加工里运用3D打印技术能够显著地缩减产品开发周期，并且降低相关成本。在 3D打印流程中，用于放置零件以及添加支撑的各类方法会引发各异数量的支撑和成型层厚度，这或许会对零件生产的质量与效率形成直接作用。更为关键的是，电池包系统零件最初被导入至 Materialise Magics 22 软件之中。具体而言，成型零件与基板间的角度设定为75°，用于尽可能削减特别是在上托盘、下支架和下托盘支架的内部等重要区域过度添加支撑的需求。

对下图中a、b 加以观察，可以发觉3D打印完毕后电池包托盘和支架组件的表面光亮，而且粗糙度较低。确切而言，表面未呈现显著的悬垂熔渣。此外，不存在明显的翘曲或变形缺陷。虽说在固定孔等部分区域增添了一些支撑，或许会对表面光洁度产生一定轻微影响。但仍处于可接纳范围内。其后，把成品零件自基板上拆卸下来，同时开展诸如去除支撑、抛光、打磨、去除表面毛刺以及用酒精清洁等后续处理任务来达成最终的零件模型。

▲3D打印电池包装分析：（a）上托盘；（b）下托盘；（c）下托盘支架；（d）整体组装效果。

如图中c、d 所呈现的组装完成的 3D 打印电池包托盘和支架明确显示，上述两部分彼此紧密贴合，这两部分之间不存在显著的装配矛盾。该观察结果表明，所设计零件的尺寸精确性和对齐程度符合规定要求。

 结论

(1)拓扑优化后的电池托盘支架最大位移为 3.20 毫米，高于拓扑优化前的情况。不过，其改善程度未达预期理想水平。最大米塞斯等效应力为 240.7 兆帕，较拓扑优化前有所升高，然而该应力在底部的分布更为均匀。最小安全系数1 满足设计要求。0.348 千克的质量相较拓扑优化前降低49.2%。拓扑优化后的电池支架最大位移同样为 3.20 毫米，低于优化前，降幅达 49.2%。

(2) 经过几何重构的电池支架结构明晰。支架下部能够借助冲压方式制造，而凸耳能够通过铣削或者冲压工艺予以生产。可运用焊接手法将支架与凸耳进行连接，以此满足大规模生产的需求。

(3) 通过3D打印的电池包托盘和支架部件能够形成具备超低粗糙度的光亮表面。换而言之，在打印表面未能观测到显著的渣块、翘曲、变形或者其他缺陷。在进行组装时，3D打印的电池包托盘和支架验证件相互之间展现出紧密对齐的状态，组件之间不存在显著的装配冲突。

为了增强新能源电动汽车电池包系统的综合性能，后续的实验至关重要。这类实验或许涵盖电池采用高性能冷却水路的3D打印、电池系统抗冲击能力的评定以及其他相关研究。这些举措旨在为优化设计及量产高性能轻量化的电池包系统筑牢根基。

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大尺寸设备意味着更高的工作效率，可以加快在航空航天、船舶、汽车等领域的应用，但也对打印工件的质量与精密性提出了更高的要求，3D打印后处理的问题也逐渐显现，面对不同尺寸的大型3D打印零件，漫长且低效率的人工清粉，面临的不仅是企业成本的增加，更是安全风险的加大。如何高效、安全的处理工件残留粉末，成为后处理的一个重要课题。

© 拓博增材

 安全、高效地清除大尺寸3D打印零件余粉

拓博增材TCB系列防爆3D打印工件清粉系统，针对航空航天、汽车、船舶等大型3D打印工件，可对其进行内部及隐藏空隙进行清洁工作。此系统以尽可能少量的人工操作，尽量多且高效的回收设备中残留的粉末为核心，节省时间高达90%，大大减轻人力负担，且能在惰性气体的保护下实现各种清粉操作，极大的保护了设备安全和人员安全。加之在密闭的空间内操作，操作员的劳保安全也能得到有效保障。

I 多种型号选择，适应不同需求

2023年，为适应更多用户需求，拓博增材推出TCB-300防爆3D打印工件清粉系统，其负载为300kg，安装工件尺寸为450×450×500mm，相较于之前推出的TCB-700和TCB-1000，占地面小且功能齐全，更能满足于大部分客户的需求。

除此以外，该产品性能稳定，具备惰性气体保护、360度任意旋转工件角度、防窒息设计、双模式控制等功能。

I  多管齐下，满足清粉需求

1. 国家权威机构整机防爆认证，取得防爆合格证。
2. 全自动惰性气体保护，防爆、安全，提高粉末重复利用次数。
3. 立体360度任意旋转工件角度，工件内部复杂的粉末路径均能得到清理。
4. 高低频交互式振动清粉，将工件中密实的粉末振散，使其易于流动、脱落。
5. 双模式控制，可采用手动摇杆控制工件翻转 ，也可以输入角度、速度等进行程序化控制工件翻转。
6. 双模式装件，可适应叉车正面装件或行车顶部装件。
7. 防窒息设计，自动监测氧含量并具备报警提示功能。
8. 机械安全+电气安全，保障操作人员职业健康。
9. 采用双重固定安全设计，将确保工件不会意外掉落。
10. 状态可视化灯光设计，利用灯光和报警装置识别设备状态。
11. 无污染粉末回收，实现在不影响粉末质量的情况下回收再利用。
12. 前后双门设计，方便前后双人协同配合进行工件装载、拆卸等工作。

I  安全解决方案，风险防得住

在金属3D打印过程中，SLM技术利用金属粉末成型制造零部件时，越是细小的粉末往往使打印出来的零部件性能越是优良。但越是细小的粉末燃烧和爆炸风险也越大，特别是铝粉、钛粉和镁粉，钛粉、铝粉在金属3D打印领域被大量采用。生产过程中确保各个工艺环节安全至关重要。

拓博增材研发团队凭借在防爆领域的20年防爆技术沉淀，可大大降低爆炸的风险。TCB系列防爆3D打印工件清粉系统经过第三方权威认证机构认证，确保防爆性能符合相关规定，防爆性、安全性毋庸置疑！

I  选材严谨，可靠看得见

在保证安全的情况下，如何让整个3D打印过程可靠顺利按预定程序进行，这关系到工件成型质量、生产效率甚至3D打印未来产业化发展。拓博在供应商选择上有一套严格的要求，关键元器件均选用国内外知名一线品牌，确保这些元器件运行时能持续可靠工作。

在应急预案上，关健动作至少考虑一个故障条件下可靠运行，一些重要动作甚至会设计2-3个故障条件下的应急方案，以此来保证设备整体系统能长期可靠运行，这一设计理念长期根植在整个设计研发团队中。

 拓博—让安全、可靠成就工业未来

拓博增材致力于为增材制造企业提供完整的金属粉末材料处理解决方案，能够帮助增材制造生产车间开展加粉、混合、干燥、筛分、成型、移缸、搬运、清粉、取件工作，有效提高金属粉末的重复利用率，减少金属粉末的消耗、降低能源的消耗、减少污染物的排放，同时优化工厂车间的空气质量，在为客户节省成本的前提下，实现提质增效的跨越。

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