Una aleación con memoria de forma impresa en 3D con superelasticidad superior

Una aleación con memoria de forma impresa en 3D con superelasticidad superior


13 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Laser Powder Bed Fusion, un proceso de impresión 3D, ofrece potencial en la industria manufacturera, particularmente en la producción de aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio con geometrías complejas. Si bien esta técnica de fabricación es atractiva para aplicaciones biomédicas y aeroespaciales, rara vez ha demostrado la superelasticidad requerida para aplicaciones específicas que utilizan aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio.

Los defectos creados durante el proceso de impresión 3D y los cambios impuestos en el material impidieron que ocurriera la superelasticidad en el níquel-titanio impreso en 3D.

Investigadores de la Universidad de Texas A&M demostraron recientemente una superelasticidad de tracción superior al fabricar una aleación con memoria de forma a través de la fusión de lecho de polvo láser, casi duplicando la superelasticidad máxima reportada en la literatura para la impresión 3D.

Este estudio fue publicado recientemente en el Acta Materialía Revista («Fusión de lecho de polvo láser de piezas de aleación con memoria de forma de NiTi sin defectos con superelasticidad de tracción superior»). Micrografía electrónica de polvo de níquel-titanio a la izquierda y red de níquel-titanio impresa en 3D A la izquierda se muestra una micrografía electrónica de polvo de níquel-titanio. Los investigadores pueden usar este polvo para producir piezas impresas en 3D, como rejillas de níquel-titanio (derecha). (Imagen: Ingeniería de Texas A&M)

Las aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio tienen varias aplicaciones debido a su capacidad para volver a su forma original cuando se calientan o cuando se elimina el voltaje aplicado. Por lo tanto, pueden usarse en biomedicina y aeroespacial para stents, implantes, dispositivos quirúrgicos y alas de aviones. Sin embargo, el desarrollo y la fabricación adecuada de estos materiales requiere una amplia investigación para caracterizar las propiedades funcionales y estudiar la microestructura.

«Las aleaciones con memoria de forma son materiales inteligentes que pueden recordar sus formas a alta temperatura», dijo el Dr. Lei Xue, exestudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y primer autor de la publicación. «Aunque se pueden usar de muchas maneras, la fabricación de aleaciones con memoria de forma en formas complejas requiere un ajuste fino para garantizar que el material tenga las propiedades deseadas».

Laser Powder Bed Fusion es una técnica de fabricación aditiva que ofrece una manera de fabricar de manera efectiva y eficiente aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio y proporciona una ruta para la fabricación rápida o la creación de prototipos. Esta técnica, similar a la impresión 3D de polímeros, utiliza un láser para fusionar metal o polvo de aleación capa por capa. El proceso capa por capa es ventajoso porque puede producir piezas con geometrías complejas que serían imposibles en la fabricación tradicional.

«Usando una impresora 3D, esparcimos el polvo de aleación sobre un sustrato y luego usamos el láser para derretir el polvo y formar una capa completa», dijo Xue. «Repetimos esta estratificación y escaneamos los mismos o diferentes patrones hasta que surge la estructura deseada».

Desafortunadamente, la mayoría de los materiales de níquel-titanio no pueden resistir el proceso actual de fusión de lecho de polvo láser, lo que a menudo genera defectos de impresión como porosidad, deformación o deslaminación causada por un gran gradiente térmico y fragilidad por oxidación. Además, el láser puede cambiar la composición del material debido a la evaporación durante la impresión.

Para contrarrestar este problema, los investigadores utilizaron un marco de optimización que crearon en un estudio anterior que puede determinar los parámetros de proceso óptimos para lograr una estructura libre de defectos y propiedades específicas del material.

Usando este marco, además de cambiar la composición y los parámetros del proceso refinado, los investigadores produjeron piezas de níquel-titanio que exhibieron constantemente una superelasticidad de tracción a temperatura ambiente del 6 % en el estado de compresión (sin tratamiento térmico posterior a la fabricación). Este nivel de superelasticidad es casi el doble de lo informado anteriormente en la literatura de impresión 3D.

La capacidad de imprimir en 3D aleaciones con memoria de forma con mayor superelasticidad significa que los materiales pueden manejar mejor la deformación aplicada. El uso de la impresión 3D para desarrollar estos materiales superiores reducirá el costo y el tiempo involucrados en el proceso de fabricación.

Los investigadores esperan que sus descubrimientos conduzcan a un mayor uso de aleaciones impresas con memoria de forma de níquel-titanio en aplicaciones biomédicas y aeroespaciales en el futuro.

«Este estudio puede servir como guía para imprimir aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio con las propiedades mecánicas y funcionales deseadas», dijo Xue. «Si podemos adaptar la textura cristalográfica y la microestructura, hay muchas más aplicaciones en las que se pueden usar estas aleaciones con memoria de forma».



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