В мире интеллектуальных материалов нитинол выделяется своими уникальными функциональными свойствами. Этот никель-титановый сплав известен своей памятью формы и сверхэластичностью. Хотя эти возможности высоко ценятся в биомедицинских и аэрокосмических приложениях, обработка нитинола методом послойного спекания порошка (L-PBF) часто ухудшает его механические характеристики. До сих пор детали из нитинола, изготовленные аддитивным способом, демонстрировали лишь примерно половину восстанавливаемой деформации по сравнению с компонентами, произведенными традиционными методами.

Чтобы преодолеть это техническое ограничение, команда из Института материалов IMDEA и Мадридского политехнического университета (UPM) решила прекратить попытки «исправить» сам материал и вместо этого оптимизировать его архитектуру. Их подход сосредоточен на проектировании переплетенных металлических структур, или метаматериалов, которые ведут себя как текстиль. Вот как им это удалось.

Основная проблема, рассматриваемая в исследовании, опубликованном в журнале Virtual and Physical Prototyping, заключается в механических ограничениях нитинола после печати. ​​При печати нитинола микроструктура детали часто не соответствует упругости материала, полученного традиционными методами. Вместо поиска нового сплава исследователи использовали алгоритмически управляемую систему проектирования для создания взаимосвязанных метаматериалов.

Исследование выделяется своей геометрической сложностью. Команда успешно напечатала тканые структуры, включая сетки, сферы и кольца, которые полностью самоподдерживающиеся. Это стало возможным отчасти благодаря тому, что в процессе L-PBF используется окружающий порошок для стабилизации детали во время изготовления, что исключает необходимость в дополнительных опорных конструкциях. В результате постобработка становится сравнительно проще.

Стратегии проектирования для достижения сверхэластичности нитинола с использованием технологии L-PBF:

Оптимизация алгоритма: команда разработала два семейства конструкций: трубчатые сети и взаимосвязанные цилиндрические архитектуры.

Управление параметрами : Благодаря продуманной конструкции исследователи смогли регулировать жесткость и способность к поглощению энергии в диапазоне нескольких порядков величины, не изменяя химический состав порошка.

Проверка цифровой модели: Для обеспечения точности печати они объединили данные компьютерной томографии (КТ) с цифровыми данными построения, полученными из программного обеспечения для нарезки. Это позволило им сравнить, микрон за микроном, соответствие заданных программным обеспечением данных фактическому результату, полученному системой L-PBF.

Почему это важно для промышленности?

Разрабатывая материалы, способные изгибаться и восстанавливать свою форму благодаря взаимосвязанной архитектуре, исследователи открывают двери для широкого спектра применений в таких секторах, как здравоохранение, аэрокосмическая промышленность и робототехника. Карлос Агилар, один из авторов исследования, поясняет:

Данная работа представляет собой первую демонстрацию оптимизации, основанной на проектировании, в сверхэластичном нитиноле, полученном методом аддитивного производства. Она показывает, что механические ограничения, присущие современным процессам аддитивного производства, могут быть эффективно преодолены за счет архитектурного проектирования.

Источник