IMDEA и UPM совершенствуют 3D-печатные метаматериалы из нитинола

Исследователи из Института материалов IMDEA и Технического университета Мадрида (UPM) переосмыслили никель-титановые (нитиноловые) сплавы как тканеобразные, переплетенные структуры, достигнув уровней гибкости и механических характеристик, которые ранее были невозможны. Сочетая дизайнерские подходы с передовой 3D-печатью, команда создала сверхупругие метаматериалы, которые могут трансформировать их применение в робототехнике, аэрокосмической отрасли и здравоохранении.

Никель-титановые (нитиноловые) сплавы известны своей сверх упругостью и свойствами памяти формы. Хотя лазерная порошковая наплавка (LPBF) широко используется для 3D печати нитинола, эта техника традиционно приводит к снижению эластичности и меньшей восстанавливаемой деформации по сравнению с традиционно обработанным материалом.

"Хотя LPBF остается золотым стандартом нитинолового аддитивного производства, свойства памяти формы и сверхупругости этих аддитивно изготовленных никель-титановых деталей еще не соответствуют тем, что достигаются с помощью более традиционных промышленных процессов", - говорит Карлос Агилар Вега, исследователь из IMDEA Materials и UPM.

Предыдущие исследования показали, что 3D-печатный нитинол демонстрирует примерно вдвое меньшую деформативность, чем традиционно изготовленный промышленный нитинол, при этом аддитивная обработка порошков, как правило, приводит к созданию материалов с повышенной хрупкостью.

Чтобы преодолеть это, команда перешла от оптимизации состава материала к проектированию геометрий, улучшающих механические характеристики, включая сложные тканые формы, такие как сетки, сферы и кольца. «Это были одни из самых сложных по форме тканых нитиноловых структур, когда-либо создававшихся», - объясняет коллега-автор, профессор Андрес Диас Лантада из Института материаловUPM и IMDEA.

Исследователи разработали алгоритмическую основу для создания высоко деформированных переплетенных метаматериалов, адаптированных для аддитивного производства. Были созданы и тщательно протестированы два основных семейства структур - трубчатые решетки и цилиндрические тканые архитектуры.

Механические испытания подтвердили, что жесткость, несущая способность, поглощение энергии и прочность можно настроить только с помощью проектирования. Для обеспечения точности команда использовала компьютерную томографию вместе с цифровыми 3D моделями печати, подтверждая точность сложных геометрий.

"Эта работа является первой демонстрацией оптимизации дизайна аддитивно изготовленного сверх упругого нитинола, показывая, что механические недостатки, свойственные современным процессам аддитивного производства, можно эффективно смягчить с помощью архитектуры", - заключает Вега.

Центральной проблемой аддитивного производства нитинола является не геометрия, а функциональная согласованность. Хотя LPBF позволяет создавать сложные формы, поддержание стабильного поведения преобразования во время обработки остается сложным из-за узкого композиционного допуска сплава и его термической чувствительности. Результатом является изменчивость характеристик по сравнению с традиционно производимым материалом.