Los investigadores desarrollan una aleación con memoria de forma impresa en 3D con superelasticidad superior

La fusión de lecho de polvo láser, una técnica de impresión 3D, ofrece potencial en la industria manufacturera, particularmente cuando se fabrican aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio con geometrías complejas. Aunque esta técnica de fabricación es atractiva para aplicaciones en los campos aeroespacial y biomédico, rara vez ha mostrado la superelasticidad requerida para aplicaciones específicas que utilizan aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio. Los defectos generados y los cambios impuestos al material durante el proceso de impresión 3D impidieron que apareciera 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 vol. 229 de la Acta Materialía diario.

Las aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio tienen varias aplicaciones debido a su capacidad para volver a su forma original al calentarse o al eliminar la tensión aplicada. Por lo tanto, pueden usarse en campos biomédicos y aeroespaciales 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 examinar 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 utilizar de muchas maneras, la fabricación de aleaciones con memoria de forma en formas complejas requiere un ajuste fino para garantizar que el material muestre las propiedades deseadas».

La fusión de lecho de polvo por láser es una técnica de fabricación aditiva que presenta una forma de producir aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio de manera efectiva y eficiente, ofreciendo un camino hacia la fabricación o creación de prototipos rápidos. Esta técnica, similar a la impresión 3D de polímeros, utiliza un láser para fusionar polvos metálicos o de aleación capa por capa. El proceso capa por capa es beneficioso porque puede crear 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, formando una capa completa», dijo Xue. «Repetimos esta estratificación, escaneando los mismos o diferentes patrones hasta que se forme la estructura deseada».

Desafortunadamente, la mayoría de los materiales de níquel-titanio no pueden resistir el proceso de fusión de lecho de polvo láser actual, 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 combatir 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.

Con este marco, además del cambio en la composición y los parámetros del proceso refinado, los investigadores fabricaron piezas de níquel-titanio que exhibieron constantemente una superelasticidad a la tracción a temperatura ambiente del 6 % en la condición impresa (sin tratamiento térmico posterior a la fabricación). Este nivel de superelasticidad es casi el doble de la cantidad vista anteriormente en la literatura para la impresión 3D.

La capacidad de producir aleaciones con memoria de forma a través de la impresión 3D con mayor superelasticidad significa que los materiales son más capaces de manejar la deformación aplicada. El uso de la impresión 3D para desarrollar estos materiales superiores reducirá el costo y el tiempo del proceso de fabricación.

En el futuro, 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.

«Este estudio puede servir como guía sobre cómo imprimir aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio con las características 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».

Esta investigación fue financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., la subvención del Programa de Investigación de Prioridades Nacionales, el Fondo Nacional de Investigación de Qatar y la subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Otros contribuyentes a la publicación incluyen al jefe del departamento de ciencia e ingeniería de materiales, el Dr. Ibrahim Karaman; los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Dr. Kadri Can Atli y Dr. Raymundo Arroyave; el Dr. Abhinav Srivastava, ex estudiante de ciencia e ingeniería de materiales, y el estudiante actual, Nathan Hite; Wm Michael Barnes ’64 Profesor del Departamento de Ingeniería y Sistemas Industriales Dr. Alaa Elwany; el estudiante de ingeniería y sistemas industriales Chen Zhang; y los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., el Dr. Asher C. Leff, el Dr. Adam A. Wilson y el Dr. Darin J. Sharar.