Design and performance prediction of voronoi porous structure by selective laser melting

Shou-jin ZENG; Qi-rui WU; Jia-chen HE; Tie-ping WEI; Jian-hua YE

doi:10.37188/OPE.20212905.1059

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Design and performance prediction of voronoi porous structure by selective laser melting

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2021-07-08

- Design and performance prediction of voronoi porous structure by selective laser melting
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 5, Pages: 1059-1071(2021)
- 作者机构：
  
  1.福建工程学院机械与汽车工程学院，福建福州 350118
  2.苏州大学附属第一医院骨科研究所，江苏苏州 215006
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212905.1059
  CLC： TB31;TN249
- Received：25 November 2020，
  
  Revised：18 January 2021，
  
  Published：15 May 2021
- 稿件说明：
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曾寿金,吴启锐,何家辰等.选区激光熔化Voronoi多孔结构的设计与性能预测[J].光学精密工程,2021,29(05):1059-1071.

ZENG Shou-jin,WU Qi-rui,HE Jia-chen,et al.Design and performance prediction of voronoi porous structure by selective laser melting[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):1059-1071.
曾寿金,吴启锐,何家辰等.选区激光熔化Voronoi多孔结构的设计与性能预测[J].光学精密工程,2021,29(05):1059-1071. DOI： 10.37188/OPE.20212905.1059.

ZENG Shou-jin,WU Qi-rui,HE Jia-chen,et al.Design and performance prediction of voronoi porous structure by selective laser melting[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):1059-1071. DOI： 10.37188/OPE.20212905.1059.

摘要

为满足医学上多孔植入体的力学性能和生物相容性要求，研究一种利用Voronoi-Tessellation算法生成可控多孔结构的参数化设计方法。分析了以孔棱直径、不规则度及单元距离为结构参数，以弹性模量、抗压强度及孔隙率为响应目标的Box-Behnken设计。结合灰色关联分析，得到多响应目标的最佳结构参数，并建立了灰色关联度预测模型，通过方差分析验证了模型的准确性。结果表明，孔棱直径是影响多孔结构性能最显著的因素。不规则多孔结构的最佳结构参数为孔棱直径0.3 mm，不规则度0.5，单元距离2 mm。得到不规则多孔结构的弹性模量为2.987 GPa，抗压强度为210.048 MPa，孔隙率为89.43%，灰色关联度为0.789 5，优化结果与预测结果的符合程度高，误差为1.2%，表明该优化方法切实可行。

Abstract

To satisfy the requirements of mechanical property and biocompatibility of porous implants in the medical field， a parametric design method of generating a controllable porous structure using the Voronoi-tessellation algorithm was studied. The Box-Behnken design was developed with the strut diameter， irregularity， and unit distance as structural parameters and elastic modulus， compressive strength， and porosity as response targets. The optimal structural parameters of multi-response targets were obtained by combining the grey relational analysis （GRA）， and the grey relational grade prediction model was established. The accuracy of the model was verified by the analysis of variance. The results show that strut diameter is the most significant factor affecting the performance of the porous structure. The optimum structural parameters of the irregular porous structure are as follows： strut diameter of 0.3 mm， irregularity of 0.5， and unit distance of 2 mm. Subsequent to performing confirmatory experiments， we obtained the sample with an elasticity modulus of 2.987 GPa， compressive strength of 210.048 MPa， porosity of 89.43%， and GRG of 0.789 5. The optimization results are in good agreement with the predicted results， and the error is 1.2%， indicating that the optimization method is feasible.

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Keywords

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