IMDEA та UPM вдосконалюють 3D-друковані метаматеріали з нітинолу

Дослідники з Інституту матеріалів IMDEA та Технічного університету Мадрида (UPM) переосмислили нікель-титанові (нітинолові) сплави як тканиноподібні, переплетені структури, досягнувши рівнів гнучкості та механічних характеристик, які раніше були неможливі. Поєднуючи дизайнерські підходи з передовим 3D-друком, команда створила надпружні метаматеріали, які можуть трансформувати їх застосування в робототехніці, аерокосмічній галузі та охороні здоров'я.

Нікель-титанові (нітинолові) сплави відомі своєю надпружністю та властивостями пам'яті форми. Хоча лазерне порошкове наплавлення (LPBF) широко використовується для 3D-друку нітинолу, ця техніка традиційно призводить до зниження еластичності та меншої відновлюваної деформації порівняно з традиційно обробленим матеріалом.

«Хоча LPBF залишається золотим стандартом нітинолового адитивного виробництва, властивості пам'яті форми та надпружності цих адитивно виготовлених нікель-титанових деталей ще не відповідають тим, що досягаються за допомогою більш традиційних промислових процесів», — каже Карлос Агілар Вега, дослідник з IMDEA Materials та UPM.

Попередні дослідження показали, що 3D-друкований нітинол демонструє приблизно вдвічі меншу деформативність, ніж традиційно виготовлений промисловий нітинол, при цьому адитивна обробка порошків, як правило, призводить до створення матеріалів з підвищеною крихкістю.

Щоб подолати це, команда перейшла від оптимізації складу матеріалу до проєктування геометрій, що покращують механічні характеристики, включаючи складні ткані форми, такі як сітки, сфери та кільця. «Це були одні з найскладніших за формою тканих нітинолових структур, які коли-небудь створювалися», – пояснює колега-автор, професор Андрес Діас Лантада з Інституту матеріалів UPM та IMDEA.

Дослідники розробили алгоритмічну основу для створення високодеформованих, переплетених метаматеріалів, адаптованих для адитивного виробництва. Були створені та ретельно протестовані два основних сімейства структур - трубчасті решітки та циліндричні ткані архітектури.

Механічні випробування підтвердили, що жорсткість, несуча здатність, поглинання енергії та міцність можна налаштувати лише за допомогою проектування. Для забезпечення точності команда використовувала комп'ютерну томографію разом із цифровими 3D-моделями друку, підтверджуючи точність складних геометрій.

«Ця робота є першою демонстрацією оптимізації дизайну адитивно виготовленого надпружного нітинолу, показуючи, що механічні недоліки, властиві сучасним процесам адитивного виробництва, можна ефективно пом’якшити за допомогою архітектури»,- підсумовує Вега.

Центральною проблемою адитивного виробництва нітинолу є не геометрія, а функціональна узгодженість. Хоча LPBF дозволяє створювати складні форми, підтримка стабільної поведінки перетворення під час обробки залишається складною через вузький композиційний допуск сплаву та його термічну чутливість. Результатом є мінливість характеристик порівняно з традиційно виробленим матеріалом.

Тому багато зусиль галузі зосереджені на стабілізації процесу, включаючи жорсткіший контроль атмосфери та вдосконалення параметрів друку для зменшення хімічного дрейфу та структурної анізотропії. 

Замість того, щоб зосереджуватися лише на оптимізації матеріалів, дослідження IMDEA–UPM використовує спроєктовані геометрії для компенсації, демонструючи, що механічні характеристики можна налаштувати за допомогою проєктування.

Незважаючи на покращення, ключові обмеження залишаються в 3D-друкованому нітинолі. Його надпружна поведінка та пам'ять форми залишаються дуже чутливими до вмісту нікелю, впливу кисню та теплової історії, що призводить до мінливості характеристик порівняно з традиційно обробленим матеріалом. LPBF може призвести до мікроструктурної анізотропії та залишкових напружень, які неможливо повністю виправити лише геометрією. Крім того, складність тканих або переплетених архітектур створює практичні проблеми для великомасштабного або масового виробництва.