Sulla sinistra è mostrata una micrografia elettronica di polvere di nichel-titanio. I ricercatori possono utilizzare questa polvere per fabbricare parti stampate in 3D, come reticoli di nichel-titanio (a destra). Credito:Texas A&M Engineering
La fusione laser a letto di polvere, una tecnica di stampa 3D, offre potenziale nell'industria manifatturiera, in particolare quando si fabbricano leghe a memoria di forma di nichel-titanio con geometrie complesse. Sebbene questa tecnica di produzione sia interessante per applicazioni nei settori biomedico e aerospaziale, raramente ha mostrato la superelasticità richiesta per applicazioni specifiche che utilizzano leghe a memoria di forma di nichel-titanio. I difetti generati e le modifiche imposte al materiale durante il processo di stampa 3D hanno impedito alla superelasticità di apparire nel nichel-titanio stampato in 3D.
I ricercatori della Texas A&M University hanno recentemente mostrato una superelasticità alla trazione superiore fabbricando una lega a memoria di forma attraverso la fusione del letto di polvere laser, quasi raddoppiando la superelasticità massima riportata in letteratura per la stampa 3D.
Questo studio è stato recentemente pubblicato nel vol. 229 degli Acta Materiali rivista.
Le leghe a memoria di forma nichel-titanio hanno varie applicazioni grazie alla loro capacità di tornare alla loro forma originale dopo il riscaldamento o dopo la rimozione della sollecitazione applicata. Pertanto, possono essere utilizzati in campo biomedico e aerospaziale per stent, impianti, dispositivi chirurgici e ali di aeromobili. Tuttavia, lo sviluppo e la corretta fabbricazione di questi materiali richiede ricerche approfondite per caratterizzare le proprietà funzionali ed esaminare la microstruttura.
"Le leghe a memoria di forma sono materiali intelligenti in grado di ricordare le loro forme ad alta temperatura", ha affermato la dott.ssa Lei Xue, ex dottoranda presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e primo autore della pubblicazione. "Sebbene possano essere utilizzati in molti modi, la fabbricazione di leghe a memoria di forma in forme complesse richiede una messa a punto per garantire che il materiale mostri le proprietà desiderate."
La fusione laser a letto di polvere è una tecnica di produzione additiva che presenta un modo per produrre leghe a memoria di forma di nichel-titanio in modo efficace ed efficiente, offrendo un percorso per la produzione o la prototipazione rapida. Questa tecnica, simile alla stampa 3D di polimeri, utilizza un laser per fondere le polveri di metallo o leghe strato dopo strato. Il processo strato per strato è vantaggioso perché può creare parti con geometrie complesse che sarebbero impossibili nella produzione tradizionale.
"Utilizzando una stampante 3D, stendiamo la polvere di lega su un substrato e quindi usiamo il laser per sciogliere la polvere, formando uno strato completo", ha affermato Xue. "Ripetiamo questa stratificazione, scansionando modelli uguali o diversi fino a formare la struttura desiderata."
Sfortunatamente, la maggior parte dei materiali in nichel-titanio non è in grado di resistere all'attuale processo di fusione laser a letto di polvere, causando spesso difetti di stampa come porosità, deformazione o delaminazione causati da un ampio gradiente termico e fragilità dovuta all'ossidazione. Inoltre, il laser può modificare la composizione del materiale per evaporazione durante la stampa.
Per combattere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato un framework di ottimizzazione creato in uno studio precedente, in grado di determinare parametri di processo ottimali per ottenere una struttura priva di difetti e proprietà specifiche del materiale.
Con questo quadro, oltre al cambiamento nella composizione e nei parametri di processo raffinati, i ricercatori hanno fabbricato parti in nichel-titanio che mostravano costantemente una superelasticità alla trazione a temperatura ambiente del 6% nella condizione stampata (senza trattamento termico post-fabbricazione). Questo livello di superelasticità è quasi il doppio della quantità precedentemente vista in letteratura per la stampa 3D.
La capacità di produrre leghe a memoria di forma attraverso la stampa 3D con una maggiore superelasticità significa che i materiali sono più in grado di gestire la deformazione applicata. L'utilizzo della stampa 3D per sviluppare questi materiali superiori ridurrà i costi e i tempi del processo di produzione.
In futuro, i ricercatori sperano che le loro scoperte portino a un maggiore uso di leghe stampate a memoria di forma di nichel-titanio nelle applicazioni biomediche e aerospaziali.
"Questo studio può servire come guida su come stampare leghe a memoria di forma di nichel-titanio con le caratteristiche meccaniche e funzionali desiderate", ha affermato Xue. "Se siamo in grado di personalizzare la trama cristallografica e la microstruttura, ci sono molte più applicazioni in cui queste leghe a memoria di forma possono essere utilizzate."
Questa ricerca è stata finanziata dal Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti, dalla sovvenzione del National Priorities Research Program, dal Qatar National Research Fund e dalla sovvenzione della National Science Foundation degli Stati Uniti.
Altri contributori alla pubblicazione includono il dottor Ibrahim Karaman, capo del dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria; i professori di scienze dei materiali e ingegneria Dr. Kadri Can Atli e Dr. Raymundo Arroyave; l'ex studente di scienze dei materiali e ingegneria il dott. Abhinav Srivastava e l'attuale studente Nathan Hite; Wm Michael Barnes '64 Professore del Dipartimento di Sistemi Industriali e Ingegneria Dr. Alaa Elwany; Chen Zhang, studente di ingegneria e sistemi industriali; e i ricercatori del laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti, il dottor Asher C. Leff, il dottor Adam A. Wilson e il dottor Darin J. Sharar. + Esplora ulteriormente
