选区激光熔化Voronoi多孔结构的设计与性能预测

曾寿金; 吴启锐; 何家辰; 韦铁平; 叶建华

doi:10.37188/OPE.20212905.1059

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

选区激光熔化Voronoi多孔结构的设计与性能预测

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-07-08

- 选区激光熔化Voronoi多孔结构的设计与性能预测
- Design and performance prediction of voronoi porous structure by selective laser melting
- 光学精密工程 2021年29卷第5期页码：1059-1071
- 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：
  
  [ "曾寿金（1978-），男，福建永定人，博士，副教授，硕士生导师，2007年于福州大学获得硕士学位，2018年于合肥工业大学获得博士学位，主要从事激光增材制造技术方面的研究。E-mail：zengshoujin@fjut.edu.cn" ]
  [ "吴启锐（1995-），男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事选区激光熔化的研究。E-mail：517713730@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51575110);福建省自然科学基金资助项目(2016J01202);福建工程学院科研启动基金资助项目(GY-Z19118;GY-Z19014)
- DOI：10.37188/OPE.20212905.1059
  中图分类号： TB31;TN249
- 收稿日期：2020-11-25，
  
  修回日期：2021-01-18，
  
  纸质出版日期：2021-05-15
- 稿件说明：
移动端阅览
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.

关键词

Keywords

references

刘威，刘婷婷，廖文和，等 . 选择性激光熔融钴铬合金成形工艺研究［J］. 中国激光， 2015 ， 42 （ 5 ）： 0503001 .

LIU W ， LIU T T ， LIAO W H ， et al . Study on selective laser melting forming process of cobalt chromium alloy ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2015 ， 42 （ 5 ）： 0503001 . （in Chinese）

吴先哲，刘红旗，王富友，等 . 激光选区熔化技术制造医用多孔金属材料研究现状［J］. 激光杂志， 2018 ， 39 （ 11 ）： 8 - 17 .

WU X ZH ， LIU H Q ， WANG F Y ， et al . Research status of biomedical porous metal materials fabricated by selective laser melting ［J］. Laser Journal ， 2018 ， 39 （ 11 ）： 8 - 17 . （in Chinese）

杨永强，宋长辉，王迪 . 激光选区熔化技术及其在个性化医学中的应用［J］. 机械工程学报， 2014 ， 50 （ 21 ）： 140 - 151 .

YANG Y Q ， SONG CH H ， WANG D . Selective laser melting and its applications on personalized medical parts ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2018 2014， 50 （ 21 ）： 140 - 151 . （in Chinese）

WANG G J ， SHEN L D ， ZHAO J F ， et al . Design and compressive behavior of controllable irregular porous scaffolds： based on voronoi-tessellation and for additive manufacturing ［J］. ACS Biomaterials Science & Engineering ， 2018 ， 4 （ 2 ）： 719 - 727 .

LI Z F ， ZHANG C Y ， QI L J ， et al .. Selective laser melting bone-compatible pure titanium porous structure ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2013 ， 423-426 ： 833 - 836 .

朱俊峰，张先龙，王成焘，等 . 股骨假体近端应力遮挡对成骨细胞增殖和凋亡的影响［J］. 临床骨科杂志， 2009 ， 12 （ 3 ）： 332 - 335 .

ZHU J F ， ZHANG X L ， WANG CH D ， et al . The influence of stress-shielding at the proximal femur on human osteoblast proliferation and apoptosis ［J］. Journal of Clinical Orthopaedics ， 2009 ， 12 （ 3 ）： 332 - 335 . （in Chinese）

ZHANG R ， WAN Y ， AI X ， et al . Preparation of micro-nanostructure on titanium implants and its bioactivity ［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China ， 2016 ， 26 （ 4 ）： 1019 - 1024 .

周梦，成艳，周晓晨，等 . 基于增材制造技术的钛合金医用植入物［J］. 中国科学（技术科学）， 2016 ， 46 （ 11 ）： 1097 - 1115 .

ZHOU M ， CHENG Y ， ZHOU X CH ， et al . Biomedical titanium implants based on additive manufacture ［J］. Scientia Sinica Technologica ， 2016 ， 46 （ 11 ）： 1097 - 1115 . （in Chinese）

PARTHASARATHY J ， STARLY B ， RAMAN S ， et al . Mechanical evaluation of porous titanium （Ti 6 Al 4 V） structures with electron beam melting （EBM）［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials ， 2010 ， 3 （ 3 ）： 249 - 259 .

张国庆，杨永强，宋长辉，等 . 激光选区熔化成型CoCrMo多孔结构的设计与性能研究［J］. 中国激光， 2015 ， 42 （ 11 ）： 1103003 .

ZHANG G Q ， YANG Y Q ， SONG CH H ， et al . Study on design and properties of porous CoCrMo alloy structure manufactured by selective laser melting ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2015 ， 42 （ 11 ）： 1103003 . （in Chinese）

柏龙，熊飞，陈晓红，等 . SLM制备的Ti 6 Al 4 V轻质点阵结构多目标结构优化设计研究［J］. 机械工程学报， 2018 ， 54 （ 5 ）： 156 - 165 .

BAI L ， XIONG F ， CHEN X H ， et al . Multi-objective structural optimization design of Ti 6 Al 4 V lattice structure formed by SLM ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2018 ， 54 （ 5 ）： 156 - 165 . （in Chinese）

SIMONEAU C ， BRAILOVSKI V ， TERRIAULT P. Design ， manufacture and tensile properties of stochastic porous metallic structures ［J］. Mechanics of Materials ， 2016 ， 94 ： 26 - 37 .

YAN C Z ， HAO L ， AHMED H ， et al .. Evaluations of cellular lattice structures manufactured using selective laser melting ［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture ， 2012 ， 62 ： 32 - 38 .

曾寿金，吴启锐，叶建华 . 选区激光熔化成型316L不锈钢多孔结构的力学性能［J］. 红外与激光工程， 2020 （ 8 ）： 59 - 67 .

ZENG SH J ， WU Q R ， YE J H . Mechanical properties of 316L stainless steel porous structure formed by selective laser melting ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 （ 8 ）： 59 - 67 . （in Chinese）

吴伟辉，杨永强，毛桂生，等 . 激光选区熔化自由制造异质材料零件［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 3 ）： 517 - 526 .

WU W H ， YANG Y Q ， MAO G SH ， et al . Free manufacturing of heterogeneous materials part by selective laser melting ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 3 ）： 517 - 526 . （in Chinese）

刘锋吴伟辉杨永强，等 . 成分梯度材料零件的激光选区熔化成型［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1510 - 1518 .

LIU F ， WU W H ， YANG Y Q ， et al . Manufacture of composition gradient material part by selective laser melting ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1510 - 1518 . （in Chinese）

ZHAO J Q ， ZHANG M ， ZHU Y ， et al . A novel optimization design method of additive manufacturing oriented porous structures and experimental validation ［J］. Materials & Design ， 2019 ， 163 ： 107550 .

TUCHO WAKSHUM M ， LYSNE VIDAR H ， HÅKONAUSTBØ ， et al . Investigation of effects of process parameters on microstructure and hardness of SLM manufactured SS316L ［J］. Journal of Alloys Compounds ， 2018 ， 740 ： 910 - 925 .

AHMADI A ， MIRZAEIFAR R ， MOGHADDAM N S ， et al . Effect of manufacturing parameters on mechanical properties of 316L stainless steel parts fabricated by selective laser melting： A computational framework ［J］. Materials & Design ， 2016 ， 112 ： 328 - 338 .

LIANGH X ， YANG Y W ， XIE D Q ， et al . Trabecular-like Ti-6Al-4V scaffolds for orthopedic： fabrication by selective laser melting and in vitro biocompatibility ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2019 ， 35 （ 7 ）： 1284 - 1297 .

WANG H ， QIN Q H . Voronoi polygonal hybrid finite elements with boundary integrals for plane isotropic elastic problems ［J］. International Journal of Applied Mechanics ， 2017 ， 9 （ 3 ）： 110 - 122 .

LV J ， JIA Z J ， LI J ， et al . Electron beam melting fabrication of porous Ti6Al4V scaffolds： cytocompatibility and osteogenesis ［J］. Advanced Engineering Materials ， 2015 ， 17 （ 9 ）： 1391 - 1398 .

王勃，樊瑜波，陈孟诗 . 国人的股骨和胫骨各向异性力学参数和轴向流变特性测试［J］. 生物医学工程学杂志， 2006 ， 23 （ 3 ）： 535 - 538 .

WANG B ， FAN Y B ， CHEN M SH . Testing of anisotropic modulus and fluid characteristic of Chinese femur and tibia ［J］. Journal of Biomedical Engineering ， 2006 ， 23 （ 3 ）： 535 - 538 . （in Chinese）

浏览量

1001

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

面向低分辨率单目内窥镜图像的三维多孔结构重建

选区激光熔化成形W-Ni-Cu的成形工艺及热物理性能

激光选区熔化增材制造零件侧壁成型精度分析