Gray elements and material overlaps at the interfaces limit density-based multi-material topology optimization. This article extends the level set-based negative-mapping interpolation to the multi-material proportional topology optimization of macro-scale structures in two and three dimensions. An alternating active-phase algorithm decomposes M-phase problems into two-phase sub-problems described by level set functions; an evolutionary strategy removes the need for sentitivity analysis; and the negative-mapping interpolation eliminates the overlaps of the phases in the interface elements. Cantilever and half-MBB beams in two dimensions and a cantilever beam in three dimensions, with three and four material phases, give smooth boundaries, no gray elements and overlap-free designs. The compliance lies below the SIMP value in four of the eight two-dimensional cases and 0.3%, 0.4%, 4.8% and 12.7% above it in the other four. The influence of the material properties, of the interface treatment and of the algorithmic parameters is also examined.


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