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多孔植入体的设计和制造一直是骨科医学领域亟需解决的问题。一方面,要求多孔结构具有复杂曲面和孔隙率,能够为骨细胞长入和营养物质运输提供充足空间;另一方面,要求多孔结构的力学性能可调控,能够匹配人体骨骼的力学性能,以防止应力屏蔽现象。传统的方法无法全面解决这些问题。本文结合拓扑优化(Topology Optimization)设计和激光选区熔化制造(Selective Laser Melting,SLM)技术,从Ti6Al4V多孔植入体中结构设计、制造约束、力学性能匹配和使用寿命提高四个基本问题出发,实现了多孔植入体性能的数字化调控。首先,基于SIMP材料插值理论的拓扑优化模型,通过ANSYS软件实现对人体骨骼基元的拓扑优化设计,利用SolidWorks和Materialise Magics 21.0软件对拓扑优化多孔结构进行模型重建和修复,以减小数据量;经过比表面积的测量,当孔隙率达60%以上时,拓扑优化多孔结构的比表面积超越隐式曲面构建的多曲面多孔结构,预示着更好的生物兼容性。其次,从表面质量、制造精度和可制造性三个角度,重点讨论了SLM制造Ti6Al4V拓扑优化多孔结构的影响因素,并给出优化参数:X-Y轴精度差异可以通过设置为0.015 mm光斑补偿来缩小;Z轴精度差异通过设置补偿值0.06 mm来缩小;零件的翘曲变形通过优化摆放位置和设置支撑结构来解决;黑烟杂质和火花通过调控保护气的流速来完成,气体压强控制在120 Pa左右。另外,从拓扑优化单元多孔阵列结构模型中抽离出四种微结构,探讨它们的制造极限:“弹簧”结构的爬升角应大于45°;弧形结构的最大可成形的悬垂长度为1.04 mm;薄壁结构的壁厚和小孔结构的直径都应大于0.1 mm。接着,研究了拓扑优化多孔阵列结构的力学性能与结构参数的关系。通过压缩实验,探索了多孔阵列结构的压缩行为和断裂失效模式,抗压强度的范围在23~498 MPa,与结构参数(孔隙率和单元结构尺寸)成反比,建立了Strength-Density-Unit Cell Size抗压强度理论预测模型。通过动态弹性模量测试,优化了多孔阵列结构的堆叠方式。弹性模量的范围在3.5~55.47 GPa,与结构参数(孔隙率和单元结构尺寸)成反比,其中孔隙率为60%和70%的多孔结构能满足骨骼力学性能要求,同时建立了Modulus-Density-Unit Cell Size弹性模量理论预测模型。最后,研究了SLM直接制造Ti6Al4V在平行方向上的延伸率提高机制。通过调控SLM制造条件,Ti6Al4V在特殊的温度场条件下使~′相直接分解成极细针状的(α+β)组织,得到三组满足该温度场条件的制造参数:能量密度E=50.62J/mm~3,扫描间距h=0.12 mm,制造层厚t=60μm,支撑面积比A_s/A_p=0.6;E=44.9J/mm~3,h=0.12 mm,t=60μm,A_s/A_p=0.6;E=50.62 J/mm~3,h=0.10 mm,t=60μm,A_s/A_p=0.6。经过拉伸性能测试,微观组织为完全(α+β)组织的Ti6Al4V试样具有良好的综合力学性能:抗拉强度达1200 MPa以上,屈服强度达1100 MPa以上,同时延伸率达8%以上,满足医用铸件标准的要求。