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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-531392
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.53139
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 14 November 2022 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr.-Ing Aida Nonn und Prof. Dr. Karla Lehle und Dr.-Ing. Michael Gee |
| Tag der Prüfung: | 11 Oktober 2022 |
| Institutionen: | Nicht ausgewählt |
| Stichwörter / Keywords: | laser powder bed fusion; stents; finite element analysis |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 53139 |
Zusammenfassung (Englisch)
Re-narrowing of a coronary vessel after stent implantation, known as in-stent restenosis (ISR), is a predominant problem in the treatment of atherosclerosis. ISR is caused, e.g., by vessel wall injury during stent implantation, malpositioning, over- or undersizing of the stent, and associated adverse alteration of natural blood flow. Advances in metal additive manufacturing, particularly in laser ...
Zusammenfassung (Englisch)
Re-narrowing of a coronary vessel after stent implantation, known as in-stent restenosis (ISR), is a predominant problem in the treatment of atherosclerosis. ISR is caused, e.g., by vessel wall injury during stent implantation, malpositioning, over- or undersizing of the stent, and associated adverse alteration of natural blood flow. Advances in metal additive manufacturing, particularly in laser powder bed fusion (L-PBF), are enabling the generation of micro-scale L-PBF lattice structures and thus potentially coronary stents. By enabling new or even patient-specific stent designs, L-PBF stents could improve the conformity of the implanted stent and the vessel wall, thus potentially reducing ISR rates in the future.
Research in the field of L-PBF stents is still in its early stages. Previous studies have mainly focused on the analysis of stent design requirements and basic functionality of L-BF stents. Studies regarding the determination of the specific mechanical behavior of L-PBF stents but also regarding their numerical analysis are currently not available. Due to their similar topology, L-PBF stents resemble L-PBF lattice structures with a low structural density. Therefore, it is reasonable to transfer the findings in the field of L-PBF lattice structures to L-PBF stents. L-PBF lattice structures exhibit process-related geometric irregularities that (negatively) affect their morphology and their mechanical behavior. Therefore, for an accurate (numerical) evaluation of L-PBF lattice structures and thus of L-PBF stents, their mechanical behavior must be determined first, and the influence of the process-related geometric irregularities must be analyzed or considered within the numerical models. Furthermore, the mechanical and morphological behavior of filigree L-PBF stents can be altered by post-processing steps (surface, heat treatment). However, studies on L-PBF lattice structures are mainly limited to as-built structures.
Therefore, the aim of this doctoral thesis is to determine the effects of L-PBF process-related geometric irregularities and different post-processing conditions on the mechanical behavior of L-PBF 316L stents, as well as to develop a numerical methodology for their numerical evaluation.
In a first step, a finite element analysis (FEA) for the prediction of stent deformation during crimping and expansion was developed and validated using extensive experimental data from conventionally manufactured stents. These models accurately predicted the expansion behavior of two different stent designs with different expansion behavior, as well as different positioning of the stent on the balloon catheter.
In the second step, the mechanical behavior of L-PBF 316L was determined using uniaxial tensile tests on standard flat tensile specimens with variable specimen thickness and orientation angle. For each specimen configuration, as-built and heat treated specimens were considered. In the as-built condition, besides the anisotropic mechanical properties of L-PBF 316L already known from the literature, a significant increase in strength with increasing specimen thickness was observed, which stagnated at a specimen thickness of t > 1.5 mm, thus reaching a saturation value. Heat treatment resulted in homogenization but no recrystallization of the microstructure. Thus, the melt pool boundaries and substructures were dissolved, and residual stresses were reduced, whereas the elongated and oriented grains and thus the anisotropic microstructure were preserved. Accordingly, the specimen thickness- and direction-dependent mechanical properties of L-PBF 316L were still observed after heat treatment. Thus, for a reliable structural mechanical evaluation of L-PBF parts, their mechanical properties must be determined using test specimens that are comparable in size, orientation angle, and post-treatment condition to the later L-PBF part.
In a final step, the mechanical behavior of L-PBF stents was determined and the expansion behavior of L-PBF stents under different post-processing conditions was evaluated by FEAs.
The generation of L-PBF miniature tensile specimens of comparable cross section to stent struts and their experimental evaluation is challenging and highly error-prone. Therefore, a combined experimental-numerical approach was developed for the inverse determination of the mechanical behavior of L-PBF 316L stents based on experimental testing and FEA of uniaxial compression of L-PBF stents. The stent models were reconstructed from computed tomography (CT) scans of real L-PBF stents. In this way, process-related geometric irregularities were depicted enabling an accurate prediction of the stent structure-property relationship. Thus, the macroscopic mechanical behavior of L-PBF 316L stents could be determined for the first time and subsequently described numerically by a material model. Morphological analysis of the L-PBF stents further revealed significant discrepancies between the actual L-PBF stents and its computed aided design (CAD) model due to process-related geometric irregularities (surface roughness, strut waviness, enlarged and inhomogeneous strut diameters, internal defects). Numerical expansion analysis of the L-PBF stent models showed that L-PBF stents can exhibit comparable expansion behavior to conventional stents only after surface and heat treatment. However, subsequent analysis of deformation and stress states showed that L-PBF stents, both in the as-built condition and after surface and heat treatment, may exhibit critical local stress/strain concentrations, especially in the areas of pronounced geometric irregularities.
Improvements in the L-PBF process, post-processing steps, and stent design are therefore essential to minimize process-related geometric irregularities and thus their strength-reducing effects, ultimately ensuring the structural safety of L-PBF stents. One possible improvement approach is to manufacture the stents on special µ-L-PBF systems that have explicitly been optimized to produce filigree structures. In this way, a higher geometric accuracy and low surface roughness could already be achieved in the as-built condition of L-PBF stents, and the subsequent required surface treatment could be reduced to a minimum. Furthermore, the fatigue strength, the damage behavior, the interaction of the stent with the blood vessel as well as the biocompatibility of L-PBF 316L stents should be investigated. To effectively use numerical models for the development of L-PBF stents, the potential of synthetic L-PBF stent models should also be investigated.
The synthetic stent models represent a statistics-based modification of the original stent CAD model (e.g., local variations of strut cross section along strut length). In this way, the effects of L-PBF process-related geometric irregularities could be represented statistically and thus without explicit reconstruction from CT scans.
The development of L-PBF stents is a very complex interdisciplinary task in the fields of manufacturing technology, material science, design development and numerical simulation. To establish L-PBF as a reliable alternative to conventional stent fabrication, further research in this area is essential. By providing a method to determine the mechanical properties of L-PBF stents as well as their numerical analysis, this doctoral thesis could contribute to the further development of L-PBF 316L stents, as well as define necessary research aspects for further work.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Wiederverengung eines Koronargefäßes nach Stentimplantation, die sogenannte In-stent-Restenose (ISR), stellt ein vorherrschendes Problem der Behandlung der Arteriosklerose dar. ISR wird u.a. durch Gefäßwandverletzungen während der Stentimplantation, durch Fehlplatzierung, Über- oder Unterdimensionierung des Stents sowie eine damit verbundene ungünstige Veränderung des natürlichen Blutflusses ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Wiederverengung eines Koronargefäßes nach Stentimplantation, die sogenannte In-stent-Restenose (ISR), stellt ein vorherrschendes Problem der Behandlung der Arteriosklerose dar. ISR wird u.a. durch Gefäßwandverletzungen während der Stentimplantation, durch Fehlplatzierung, Über- oder Unterdimensionierung des Stents sowie eine damit verbundene ungünstige Veränderung des natürlichen Blutflusses verursacht. Fortschritte in der additiven Fertigung (AM) von Metallen, insbesondere in der Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), ermöglichen die Herstellung von filigranen Gitterstrukturen im Mikrometerbereich und damit potenziell auch von Koronarstents. Indem sie neue oder sogar patientenspezifische Stentdesigns ermöglichen, könnten L-PBF Stents die Konformität des implantierten Stents mit der Gefäßwand verbessern und so möglicherweise die ISR-Raten in Zukunft reduzieren.
Die Forschung auf dem Gebiet der L-PBF-Stents befindet sich noch im Anfangsstadium. Der Schwerpunkt bisheriger Studien liegt hauptsächlich auf der Analyse der Anforderungen an das Stentdesign und der grundlegenden Funktionalität von L-BF-Stents. Untersuchungen zur Bestimmung des spezifischen mechanischen Verhaltens der L-PBF Stents, aber auch zu deren numerischen Analysen fehlen bis dato. Aufgrund der vergleichbaren Topologie stellen L-PBF Stents prinzipiell Gitterstrukturen mit einer geringen strukturellen Dichte dar. Daher ist es naheliegend, Erkenntnisse auf dem Gebiet der L-PBF Gitterstrukturen auf L-PBF-Stents zu übertragen. L-PBF Gitterstrukturen sind von prozessbedingten geometrischen Unregelmäßigkeiten betroffen sind, die sowohl deren Morphologie als auch deren mechanischen Eigenschaften (negativ) beeinflussen. Für eine genaue (numerische) Bewertung von L-PBF Stents müssen, analog zu L-PBF Gitterstrukturen, zunächst deren mechanischen Eigenschaften bestimmt und der Einfluss von prozessbedingten geometrischen Irregularitäten analysiert bzw. in den numerischen Modellen berücksichtigt werden. Weiterhin können, die mechanischen und morphologischen Eigenschaften von filigranen L-PBF Stents durch Nachbearbeitungsschritte (Oberflächen-, Wärmebehandlung) beeinflusst werden. Derzeit werden L-PBF Gitterstrukturen jedoch hauptsächlich im Bauzustand untersucht.
Ziel dieser Dissertation ist es, die Auswirkungen von prozessbedingten Unregelmäßigkeiten und unterschiedlichen Nachtbearbeitungsschritten auf das mechanische Verhalten von L-PBF 316L Stents zu bestimmen sowie eine numerische Methodik für deren Bewertung zu entwickeln.
Im ersten Schritt wurden Finite Elemente Analysen (FEA) zur Vorhersage der Verformung und des Spannungszustands von konventionell hergestellten Stents während des Crimpens und der Expansion entwickelt und anhand umfangreicher experimenteller Daten validiert. Diese FEAs ermöglichten eine genaue Vorhersage des Expansionsverhaltens von zwei verschiedenen Stentdesigns mit unterschiedlichem Expansionsverhalten sowie unterschiedlicher Positionierung auf dem Ballonkatheter.
Im zweiten Schritt wurde das mechanische Verhalten von L-PBF 316L anhand einachsiger Zugversuche an Standard-Flachzugproben mit variabler Probendicke und Ausrichtungswinkel bestimmt. Für jede Probenkonfiguration wurden Proben im Bauzustand als auch nach Wärmebehandlung berücksichtigt. Im Bauzustand wurde neben den bereits aus der Literatur bekannten anisotropen mechanischen Eigenschaften von L-PBF 316L ein signifikanter Anstieg der Festigkeit mit zunehmender Probendicke beobachtet, der bei einer Probendicke von etwa t > 1.5~mm stagnierte und somit einen Sättigungswert erreichte. Die durchgeführte Wärmebehandlung führte zu einer Homogenisierung und zu keiner Rekristallisation des Gefüges. So wurden die Meltpoolgrenzen und Substrukturen aufgelöst und die Eigenspannungen abgebaut, während die länglichen und orientierten Körner und damit die anisotrope Mikrostruktur erhalten blieben. Dementsprechend wiesen die L-PBF 316L Zugproben auch nach der Wärmebehandlung probendicken und -richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften auf. Für eine zuverlässige strukturmechanische Bewertung von L-PBF-Bauteilen müssen daher deren mechanische Eigenschaften anhand von Prüfkörpern ermittelt werden, die in Größe, Ausrichtungswinkel und Nachbehandlungszustand mit dem späteren L-PBF-Bauteil vergleichbar sind.
Im letzten Schritt wurde eine Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von L-PBF-Stents entwickelt und das Expansionsverhalten von L-PBF-Stents unter Berücksichtigung prozessbedingter geometrischer Unregelmäßigkeiten in verschiedenen Nachbearbeitungszuständen mittels FEA bewertet. Die Herstellung von L-PBF Miniatur-Zugproben mit vergleichbarem Querschnitt wie Stentstreben sowie deren experimentelle Prüfung ist schwer zu realisieren und zudem sehr fehleranfällig. Daher wurde ein kombinierter experimentell-numerischer Ansatz für die inverse Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von L-PBF 316L Stents entwickelt, welcher auf der exerimentellen Durchführung und FEA der uniaxialen Kompression von L-PBF Stents basierte. Die Stentmodelle innerhalb der FEA wurden aus Computertomographie (CT) Scans realer L-PBF Stents rekonstruiert. Auf diese Weise wurden die prozessbedingten geometrischen Irregularitäten detailliert abgebildet, wodurch die Vorhersage der Struktur-Eigenschafts-Beziehung ermöglicht wurde. So konnte erstmals das makroskopische mechanische Verhalten von L-PBF 316L Stents ermittelt und anschließend numerisch in einem Materialmodell abgebildet werden. Die morphologische Analyse der L-PBF Stents zeigte deutliche Abweichungen zwischen den tatsächlichen L-PBF Stents und dessen CAD-Modell auf (z.B., Oberflächenrauigkeit, Strebenwelligkeit, vergrößerte und inhomogene Strebendurchmesser, innere Defekte).
Die numerische Expansionsanalyse der L-PBF-Stentmodelle zeigte, dass L-PBF-Stents erst nach einer Oberflächen- und Wärmebehandlung ein vergleichbares Expansionsverhalten wie konventionell hergestellte Stents aufweisen. Die Analyse der Verformungs- und Spannungszustände zeigte, dass die L-PBF Stent sowohl im Bauzustand als auch nach einer Oberflächen- und Wärmebehandlung z.T. kritische lokale Spannungs-/Dehnungskonzentrationen aufweisen, insbesondere in den Bereichen mit ausgeprägten geometrischen Unregelmäßigkeiten.
Verbesserungen des L-PBF Verfahrens, der Nachbearbeitungsschritte und des Stentdesigns sind daher unerlässlich, um prozessbedingte geometrische Unregelmäßigkeiten und deren festigkeitsmindernde Auswirkungen zu minimieren und somit die strukturelle Sicherheit von L-PBF Stents zu gewährleisten. Ein möglicher Verbesserungsansatz ist die Herstellung der Stents auf speziellen µ-L-PBF Anlagen, die explizit für die Herstellung von filigranen Strukturen optimiert wurden. Auf diese Weise könnte bereits im Bauzustand eine höhere geometrische Genauigkeit und eine geringe Oberflächenrauigkeit erreicht und die anschließend notwendige Oberflächenbehandlung auf ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus sind Studien zur Ermüdungsfestigkeit, zum Schädigungsverhalten, zur Interaktion des Stents mit dem Blutgefäß und zur Analyse der Biokompatibilität von L-PBF 316L Stents unerlässlich. Um numerische Modelle effektiv für die Entwicklung von L-PBF Stents zu nutzen, sollte auch das Potenzial synthetischer L-PBF Stentmodelle untersucht werden, um die numerische Bewertung neuer Stent-Designs vor ihrer tatsächlichen Herstellung zu ermöglichen. Die synthetischen Stentmodelle stellen eine statistikbasierte Modifikation des ursprünglichen Stent-CAD-Modells dar (z.B. lokale Variationen des Strebenquerschnitts entlang der Strebenlänge). Auf diese Weise könnten die Auswirkungen von L-PBF bedingten geometrischen Unregelmäßigkeiten statistisch, und somit ohne explizite Rekonstruktion aus CT-Scans abgebildet werden.
Die Entwicklung von L-PBF Stents ist ein sehr komplexes interdisziplinäres Vorhaben in den Bereichen Fertigungstechnologie, Materialwissenschaft, Designentwicklung und numerischer Simulation. Um L-PBF als zuverlässige Alternative zur konventionellen Stentherstellung zu etablieren, ist weitere Forschung in diesen Bereichen unerlässlich. Durch die Bereitstellung einer Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von L-PBF Stents sowie deren numerische Analyse trägt diese Dissertation zur Weiterentwicklung von L-PBF 316L Stents bei und definiert notwendige Forschungsaspekte für zukünftige Arbeiten.
Metadaten zuletzt geändert: 17 Nov 2022 10:20
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