不同工艺参数对SLM成型不锈钢316L多孔结构的力学性能的影响
Influence of different process parameters on the mechanical properties of porous structures of 316L stainless steel formed by SLM
- 机械强度 2026年48卷第2期 页码：135-143
- 作者机构：
1.广州城市理工学院 机械工程学院，广州 510800
2.华南理工大学 汽车与机械工程学院，广州 510641
- 作者简介：
李卫珍，女，1977年生，湖南邵阳人，博士研究生，讲师；主要研究方向为智能制造、增材制造等；E-mail：lwz9977@163.com。
黄凌森，男，1993年生，广东广州人，实验师；主要研究方向为材料成形技术及装备自动化；E-mail：hlsam@qq.com。
- 基金信息：广东省高等学校特色创新项目（自然科学）(2018KTSCX326);广东省教育科学规划课题（高等教育专项）教育厅资助项目(2022GLK388);广东省普通高校青年创新人才类项目(2024KQNCX100)
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.016
中图分类号： TG142;TF124收稿：2025-06-17，
修回：2025-09-28，
纸质出版：2026-02-15
- 稿件说明：
移动端阅览
李卫珍，黄凌森，姜立标，等. 不同工艺参数对SLM成型不锈钢316L多孔结构的力学性能的影响［J］. 机械强度，2026，48（2）：135-143.
LI Weizhen，HUANG Lingsen，JIANG Libiao，et al. Influence of different process parameters on the mechanical properties of porous structures of 316L stainless steel formed by SLM［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（2）：135-143.
李卫珍，黄凌森，姜立标，等. 不同工艺参数对SLM成型不锈钢316L多孔结构的力学性能的影响［J］. 机械强度，2026，48（2）：135-143. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.016.
LI Weizhen，HUANG Lingsen，JIANG Libiao，et al. Influence of different process parameters on the mechanical properties of porous structures of 316L stainless steel formed by SLM［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（2）：135-143. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.016.
摘要
目的
2
为了获得力学性能接近人体骨骼性能的金属植入物，了解其激光熔融成型规律。
方法
2
首先，使用不锈钢316L对设计的孔隙率为80%的多孔菱形体结构进行选区激光熔化（Selective Laser Melting
SLM）打印成型；然后，对激光功率、扫描速度、扫描间距这3个因素，每个因素分别取3个不同大小的值，进行正交试验，获得9个样本；最后，对样本进行800 ℃退火，随后进行压缩试验。
结果
2
试验结果显示，维氏硬度的均值为210.34 HV；弹性模量的均值为4.84 GPa；屈服强度的均值为8.66 MPa；极限强度的均值为440.99 MPa。对维氏硬度、弹性模量及屈服强度影响最大的是激光功率，对抗压强度影响最大的是扫描间距。结果证实，该多孔结构的力学性能与弹塑性材料的力学性能相符，具有较高的硬度、强度，其弹性模量比致密材料减小了97.52%，与人体骨骼接近。该结论为金属植入物力学性能的研究提供了参考。
Abstract
Objective
2
To obtain metal implants with mechanical properties close to those of human bone and to understand the laser melting forming mechanism.
Methods
2
First
porous rhombic structures with a designed porosity of 80% were fabricated using stainless steel 316L via selective laser melting. Second
orthogonal tests were conducted with three different values for each of the three process parameters: laser power
scanning speed
and hatch spacing
resulting in 9 samples. Finally
the samples were subjected to annealing at 800 ℃ followed by compression testing.
Results
2
The average Vickers hardness is 210.34 HV
the average elastic modulus is 4.84 GPa
the average yield strength is 8.66 MPa
and the average ultimate tensile strength is 440.99 MPa. Laser power has the most significant influence on Vickers hardness
elastic modulus
and yield strength
while hatch spacing has the most significant influence on compressive strength. The results indicate that the mechanical properties of this porous structure are consistent with those of elastoplastic materials
exhibiting high hardness and strength. Its elastic modulus is 97.52% lower than that of dense material
approaching that of human bone. This conclusion provides a reference for research on the mechanical properties of metal implants.
关键词
Keywords
references
刘刊 ， 王旭鹏 ， 吉晓民 ， 等 . 膝关节骨性关节炎人群康复机器人研究现状及发展趋势 ［J］. 机械传动 ， 2023 ， 47 （ 6 ）： 160 - 176 .
LIU Kan ， WANG Xupeng ， JI Xiaomin ， et al . Research status and development trend of KOA population rehabilitation robots ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 6 ）： 160 - 176 . （In Chinese）
SEVILLA P ， APARICIO C ， PLANELL J A ， et al . Comparison of the mechanical properties between tantalum and nickel-titanium foams implant materials for bone ingrowth applications ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2007 ， 439 （ 1/2 ）： 67 - 73 .
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 Junfeng ， ZHANG Xianlong ， WANG Chengtao ， 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）
BARI K ， ARJUNAN A . Extra low interstitial titanium based fully porous morphological bone scaffolds manufactured using selective laser melting ［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials ， 2019 ， 95 ： 1 - 12 .
朱大昌 ， 吴龙飞 ， 萧仲敏 ， 等 . 基于并行拓扑优化的假体股骨柄设计 ［J］. 机械强度 ， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1143 - 1151 .
ZHU Dachang ， WU Longfei ， XIAO Zhongmin ， et al . Design of prosthetic femoral stalk based on parallel topology optimization ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 5 ）： 1143 - 1151 . （In Chinese）
张博 ， 曹毅 ， 王玲 ， 等 . 选区激光熔化体心立方多孔结构的各向异性 ［J］. 中国激光 ， 2017 ， 44 （ 8 ）： 121 - 129 .
ZHANG Bo ， CAO Yi ， WANG Ling ， et al . Anisotropy of body-centered-cubic porous structures by selective laser melting ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2017 ， 44 （ 8 ）： 121 - 129 . （In Chinese）
吴根丽 ， 刘婷婷 ， 张长东 ， 等 . Ti6Al4V激光选区熔化成形悬垂结构的质量研究 ［J］. 中国机械工程 ， 2016 ， 27 （ 13 ）： 1810 - 1815 .
WU Genli ， LIU Tingting ， ZHANG Changdong ， et al . Research on forming quality of overhanging structure by selective laser melting ［J］. China Mechanical Engineering ， 2016 ， 27 （ 13 ）： 1810 - 1815 . （In Chinese）
石岩 ， 张恒 . 面向选区激光熔化增材制造的多孔结构设计与力学性能分析 ［J］. 机械工程学报 ， 2023 ， 59 （ 18 ）： 175 - 185 .
SHI Yan ， ZHANG Heng . Design and mechanical properties analysis of additive manufactured porous structures by selective laser melting ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2023 ， 59 （ 18 ）： 175 - 185 . （In Chinese）
焦晨 ， 晁龙 ， 朱磊 ， 等 . 面向骨科植入物的仿生多孔结构设计与制造方法 ［J］. 中国机械工程 ， 2022 ， 33 （ 23 ）： 2844 - 2850 .
JIAO Chen ， CHAO Long ， ZHU Lei ， et al . Design and manufacture method of bionic porous structures for orthopedic implants ［J］. China Mechanical Engineering ， 2022 ， 33 （ 23 ）： 2844 - 2850 . （In Chinese）
董恩纯 ， 康建峰 ， 孙畅宁 ， 等 . 3D打印金属椎体替代物力学性能评价 ［J］. 医用生物力学 ， 2024 ， 39 （ 1 ）： 76 - 83 .
DONG Enchun ， KANG Jianfeng ， SUN Changning ， et al . Evaluation of mechanical properties of three-dimensional-printed metal vertebral body substitutes ［J］. Journal of Medical Biomechanics ， 2024 ， 39 （ 1 ）： 76 - 83 . （In Chinese）
曾寿金 ， 刘广 ， 李传生 ， 等 . 基于SLM的股骨柄多孔结构设计与力学性能分析 ［J］. 中国激光 ， 2022 ， 49 （ 2 ）： 174 - 187 .
ZENG Shoujin ， LIU Guang ， LI Chuansheng ， et al . Porous structure design and mechanical properties analysis of femoral stem based on selective laser melting ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2022 ， 49 （ 2 ）： 174 - 187 . （In Chinese）
林昕 ， 杨博 ， 朱锟鹏 ， 等 . 基于Gyroid三周期极小曲面的多孔骨支架梯度结构设计与力学性能分析 ［J］. 武汉科技大学学报 ， 2023 ， 46 （ 2 ）： 109 - 117 .
LIN Xin ， YANG Bo ， ZHU Kunpeng ， et al . Gradient structure design and mechanical properties analysis of porous bone scaffolds based on Gyroid triply periodic minimal surfaces ［J］. Journal of Wuhan University of Science and Technology ， 2023 ， 46 （ 2 ）： 109 - 117 . （In Chinese）
LARIMIAN T ， KANNAN M ， GRZESIAK D ， et al . Effect of energy density and scanning strategy on densification，microstructure and mechanical properties of 316L stainless steel processed via selective laser melting ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2020 ， 770 ： 138455 .
ROOSA S M M ， KEMPPAINEN J M ， MOFFITT E N ， et al . The pore size of polycaprolactone scaffolds has limited influence on bone regeneration in an in vivo model ［J］. Journal of Biomedical Materials Research Part A ， 2010 ， 92 （ 1 ）： 359 - 368 .
ABBASI N ， HAMLET S ， LOVE R M ， et al . Porous scaffolds for bone regeneration ［J］. Journal of Science：Advanced Materials and Devices ， 2020 ， 5 （ 1 ）： 1 - 9 .
WANG Z H ， WANG C Y ， LI C ， et al . Analysis of factors influencing bone ingrowth into three-dimensional printed porous metal scaffolds：a review ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2017 ， 717 ： 271 - 285 .
LI J P ， HABIBOVIC P ， VAN DEN DOEL M ， et al . Bone ingrowth in porous titanium implants produced by 3D fiber deposition ［J］. Biomaterials ， 2007 ， 28 （ 18 ）： 2810 - 2820 .
MARKHOFF J ， WIEDING J ， WEISSMANN V ， et al . Influence of different three-dimensional open porous titanium scaffold designs on human osteoblasts behavior in static and dynamic cell investigations ［J］. Materials ， 2015 ， 8 （ 18 ）： 5490 - 5507 .
DANILEVICIUS P ， GEORGIADI L ， PATEMAN C J ， et al . The effect of porosity on cell ingrowth into accurately defined，laser-made，polylactide-based 3D scaffolds ［J］. Applied Surface Science ， 2015 ， 336 ： 2 - 10 .
孙海波 . 基于SLM技术的多孔骨骼支架分析及优化 ［D］. 济南 ： 山东建筑大学 ， 2022 ： 1 - 23 .
SUN Haibo . Analysis and optimization of porous bone scaffolds based on SLM technology ［D］. Jinan ： Shandong Jianzhu University ， 2022 ： 1 - 23 . （In Chinese）
OSTERHOFF G ， MORGAN E F ， SHEFELBINE S J ， et al . Bone mechanical properties and changes with osteoporosis ［J］. Injury ， 2016 ， 47 ： S11 - S20 .
玉贵升 . 3D打印多孔钛合金拓扑结构与其力学性能、渗透性能关系研究 ［D］. 广州 ： 暨南大学 ， 2020 ： 10 - 11 .
YU Guisheng . Effect of topology on the mechanical properties and permeability of 3D printed porous titanium alloy ［D］. Guangzhou ： Jinan University ， 2020 ： 10 - 11 . （In Chinese）
王亚玲 . 基于激光选区熔化技术多孔结构植入体性能的研究 ［D］. 重庆 ： 重庆大学 ， 2017 ： 1 - 8 .
WANG Yaling . Study on properties of porous implants based on selective laser melting technique ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2017 ： 1 - 8 . （In Chinese）
徐淑波 ， 孟子翔 ， 刘鹏 ， 等 . 激光选区融化成形多孔硬骨支架的建模、仿真及实验研究 ［J］. 稀有金属材料与工程 ， 2020 ， 49 （ 8 ）： 2786 - 2790 .
XU Shubo ， MENG Zixiang ， LIU Peng ， et al . Modeling，simulation and experimental study of porous bone scaffold by selective laser melting ［J］. Rare Metal Materials and Engineering ， 2020 ， 49 （ 8 ）： 2786 - 2790 . （In Chinese）
CHEN C ， HAO Y ， BAI X ， et al . 3D printed porous Ti 6 Al 4 V cage：effects of additive angle on surface properties and biocompatibility；bone ingrowth in Beagle tibia model ［J］. Materials & Design ， 2019 ， 175 ： 107824 .
周玥丞 . 增材制造不锈钢的力学性能研究 ［D］. 杭州 ： 浙江大学 ， 2020 ： 20 - 21 .
ZHOU Yuecheng . Mechanical properties of stainless steel products by additive manufacturing ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2020 ： 20 - 21 . （In Chinese）
曹玄扬 . 多孔网格结构的拓扑优化设计及SLM制造 ［D］. 北京 ： 北京工业大学 ， 2016 ： 38 - 47 .
CAO Xuanyang . Topology optimization design for porous lattice structure and manufactured by selective laser melting ［D］. Beijing ： Beijing University of Technology ， 2016 ： 38 - 47 . （In Chinese）
周建 . 选择性激光熔化316L不锈钢粉末数值模拟及实验研究 ［D］. 镇江 ： 江苏大学 ， 2019 ： 21 - 24 .
ZHOU Jian . Numerical simulation and experimental study of selective laser melting 316L stainless steel powder ［D］. Zhenjiang ： Jiangsu University ， 2019 ： 21 - 24 . （In Chinese）
YADROITSEV I ， KRAKHMALEV P ， YADROITSAVA I ， et al . Energy input effect on morphology and microstructure of selective laser melting single track from metallic powder ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2013 ， 213 （ 4 ）： 606 - 613 .
GIBSON L J . Biomechanics of cellular solids ［J］. Journal of Biomechanics ， 2005 ， 38 （ 3 ）： 377 - 399 .
徐仰立 . 基于激光选区熔化制造与拓扑优化设计的多孔结构的力学性能调控 ［D］. 北京 ： 北京工业大学 ， 2019 ： 71 - 73 .
XU Yangli . Mechanical properties tailoring of porous structure using topology optimization and selective laser melting ［D］. Beijing ： Beijing University of Technology ， 2019 ： 71 - 73 . （In Chinese）
吴彦霖 . 基于SLM制备的钛合金三维点阵结构的力学性能研究 ［D］. 重庆 ： 重庆大学 ， 2016 ： 50 - 59 .
WU Yanlin . An investigation into the mechanical properties of Ti6Al4V lattice structures manufactured using selective laser melting ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2016 ： 50 - 59 . （In Chinese）
CHENG X Y ， LI S J ， MURR L E ， et al . Compression deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy with cellular structures fabricated by electron beam melting ［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials ， 2012 ， 16 ： 153 - 162 .
YANG J J ， HAN J ， YU H C ， et al . Role of molten pool mode on formability，microstructure and mechanical properties of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy ［J］. Materials & Design ， 2016 ， 110 ： 558 - 570 .
MACONACHIE T ， LEARY M ， LOZANOVSKI B ， et al . SLM lattice structures：properties，performance，applications and challenges ［J］. Materials & Design ， 2019 ， 183 ： 108137 .
CHERRY J A ， DAVIES H M ， MEHMOOD S ， et al . Investigation into the effect of process parameters on microstructural and physical properties of 316L stainless steel parts by selective laser melting ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2015 ， 76 （ 5 ）： 869 - 879 .
0
浏览量
0
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 豫ICP备05013835号-4
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies