分析增材制造冠状动脉支架【Simpleware应用】

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概述

激光粉末床熔合技术(L-PBF)在金属增材制造(AM)方面的发展能够实现在微米范围内制造出高度多孔的细胞结构,因此理论上可以用于制造冠状动脉支架。

然而,工艺产生的不平整带来了特别的挑战,导致实际的 L-PBF 支架与预期支架(CAD 模型)在形态和力学性能上都存在偏差。本次分析着重关注 L-PBF 支架的膨胀行为。为进一步研究这些不平整造成的影响,基于真实和计算机重建L-PBF 支架建立实验和计算的联合框架。


亮点

  • 使用Simpleware ScanIP 基于 µCT 数据重建 L-PBF 支架模型
  • 使用 Simpleware FE 生成稳健高效的支架网格模型,使用 Abaqus FEA 软件进行后续的结构分析
  • 基于重构的支架模型,采用实验测试和数值分析相结合的方法反演确定 L-PBF 支架的力学性能
  • 分析工艺产生的不平整对力学行为的影响,特别是 L-PBF 支架的膨胀行为。

实验数据

由 FIT Production GmbH 公司制造的激光粉末床融合(L-PBF)支架,考虑了两种分析 L-PBF 支架的后处理状态:1)热处理;2)电抛光和热处理。在支架被放置在两块板之间压缩以确定它们的径向强度之前,首先获取支架结构的 µCT 图像。在原始的实验中还对制造的支架做了进一步研究(详见参考信息)。

支架模型重建及FEA

将 µCT 数据导入 Simpleware ScanIP,使用 Flood Fill 工具进行分割,计算内部孔隙率。使用形态滤波器(erode、dilate、open和close)和 Boolean 布尔运算,生成内部空隙的三维模型。在 Simpleware FE 模块中对支架模型进行网格划分,由稳健的算法生成高质量的 FE 网格。然后将支架模型直接导入 SIMULIA Abaqus FEA 软件进行结构力学分析,重点研究支架在两个平板间的压缩和支架—球囊的扩张。

图:三个模型离散化图示。从左至右分别为:重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以CAD模型为参考支架模型。
图:三个模型在压缩 0.8 mm 时外表面 von Mises 应力 σvM 等值线图,从左至右分别为:重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以 CAD 模型为参考支架模型,激光粉末床融合(L-PBF)支架。

结果

通过比较数值预测重建 L-PBF 支架模型的压缩行为和实验数据,反推并验证了 L-PBF 支架的材料特性。工艺过程产生的不平整导致预期压杆直径增大,从而造成几何刚度增大。

因此,基于理想化支架模型的数值模拟导致径向刚度显著被低估,而基于重构支架模型的有限元分析则成功预测了整体宏观的受压情况下支架行为。对重建支架模型的进一步膨胀分析显示,电抛光和热处理的 L-PBF 支架可表现出与常规支架相当的膨胀行为。然而,由于形态不平整,在 L-PBF 支架内观察到了临界局部应力集中,如在缺口和局部缩小的支柱截面区域。

图:比较实验确定的支架在压缩情况下全局力学响应(阴影曲线区域)与基于重建经热处理支架模型(HT,红色)、重建经热处理和电抛光支架模型(EP,HT,蓝色)和以CAD模型为参考模型的支架模型(绿色)的数值预测响应

结论

本研究提出了一种已经验证的实验和数值方法,综合分析经过不同后处理的 L-PBF 支架。研究显示,由于考虑工艺引起的不平整问题对于获得真实的数值分析是不可或缺的,这可以通过由 CT 数据重建真实的支架模型实现。本研究成果有助于促进 L-PBF 支架领域的进一步研究和关键几何结构不平整的阈值量化,对于最终建立 L-PBF 支架/网格结构的设计准则至关重要。

图:三种L-PBF支架模型数值膨胀分析,从左至右分别为:基于重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以CAD模型为参考支架模型。
图:采用等效应变分布等值线图显示减少支柱直径/缺口与孔隙(A-A和B-B)对热处理和电抛光支架在大塑性变形区域的影响

参考


 
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