CoCr stents produced by selective laser melting : a numerical study on process-related geometrical deviation

Additive Manufacturing (AM) can be used to produce stents with geometries which are not constrained by the tubular precursor and with a high degree of customization. Among AM technologies, Selective Laser Melting (SLM) has shown promising results for the production of metallic stents. Given the novelty of this technique with respect to traditional laser cut manufacturing, the optimal building strategies and parameters are currently matter of research, as various challenges are yet to be overtaken. Among the difficulties, the use of industrial SLM systems leads to geometrical discrepancies and variability between the nominal 3D model and the final as-built part, due to comparable dimensions of laser spot and strut thickness. A Finite Element model of cardiovascular stents produced by SLM using cobalt chromium powder was developed to evaluate the influence of geometrical deviation on mechanical behaviour and assess the variability of the part compared to original expectations. Scanning electron microscope (SEM) and micro X-ray computed tomography (CT) have been employed to collect information on the dimensions of the as-built stents. A material model was generated from the tensile response of specimens produced with the same process parameters of the stents. The FE model was prepared using beam elements, extracting centerlines from CT images and discretizing them. This technique resulted in a very useful and advantageous methodology to better analyze the variability of the section morphology. Various sensitivities were carried out to verify the consistency of the parameters chosen for reconstruction and discretization, in order to approach an automation of the procedure. Future experimental tests will be aimed at validating this computational approach.

I processi additivi possono essere utilizzati per produrre stent con geometrie non vincolate da precursori tubolari e con un alto grado di customizzazione. Tra le tecnologie additive, la produzione di stent metallici tramite Selective Laser Melting (SLM) ha mostrato risultati promettenti. Data la modernità di questa tecnica rispetto alla produzione tradizionale di taglio laser, le strategie e i parametri di costruzione ottimali sono attualmente oggetto di ricerca, poiché vari problemi devono ancora essere superati. Tra le difficoltà, l'uso di sistemi SLM industriali porta a discrepanze geometriche e variabilità tra il modello 3D nominale e la parte costruita, a causa delle dimensioni comparabili tra lo spot del laser e spessore della strut. Per valutare l'influenza della deviazione geometrica sul comportamento meccanico e valutare la variabilità rispetto alle aspettative iniziali, è stato sviluppato un modello ad elementi finiti di stent cardiovascolari prodotto con SLM, utilizzando polvere di cromo cobalto. Il microscopio elettronico a scansione (SEM) e la micro-tomografia computerizzata a raggi X sono stati impiegati per raccogliere informazioni sulle dimensioni degli stent costruiti. Un modello del materiale è stato ottenuto dalla risposta a trazione di campioni prodotti con gli stessi parametri di processo degli stent. Il modello ad elementi finiti è stato preparato utilizzando gli elementi beam, estraendo le centerline dalle tomografie e discretizzandole. Questa tecnica ha portato a una metodologia molto utile e vantaggiosa per analizzare al meglio la variabilità della morfologia della sezione. Sono state effettuate varie sensibilità per verificare l’efficienza dei parametri scelti per la ricostruzione e la discretizzazione, al fine di avvicinarsi ad un'automazione della procedura. Futuri test sperimentali saranno finalizzati a convalidare questo approccio computazionale.