В развивающемся мире аддитивного производства металлов (АП) сплавы с «эффектом памяти» формы ЭПФ (англ. Shape Memory Alloys, SMA) вызывают значительный предметный интерес благодаря своим нестандартным качествам. Самым ярким примером на поле АП можно назвать успешно применяемый никель-титановый сплав нитинол, который способен после деформации восстанавливать свою первоначальную форму при нагреве. Эта суперспособность открывает беспрецедентные возможности для таких отраслей, как авиастроение, космонавтика, медицина, автомобилестроение и робототехника, где решающее значение имеют высокая точность и адаптация.
Сплавы с ЭПФ — это класс «умных» материалов, способных восстанавливать свою первоначальную форму после деформации, вызванной изменением температуры (эффект памяти формы — Shape Memory Effect, SME) или механическим напряжением (сверхэластичность). Эта уникальная способность обусловлена обратимым фазовым превращением между двумя твёрдыми фазами — аустенитом и мартенситом. Сплав с ЭПФ фиксируют в исходной форме, которую он и «запоминает», затем подвергают отжигу при 500˚ С. В процессе отжига образуется неупругая твёрдая высокотемпературная фаза сплава — аустенит. При последующем охлаждении образца формируется упругая, легко деформируемая низкотемпературная фаза — мартенсит. При последующей деформации и нагреве сплава атомы образуют аустенитную решётку, и форма образца восстанавливается.
Сплавы с «эффектом памяти» нашли множество применений – в медицине, в устройствах автоматического включения/выключения, регуляторах. Например, пружинная шайба из такого сплава для болтовых соединений не даёт увеличиваться переходному сопротивлению при эксплуатации электрического контакта.
Распространённые ЭПФ в аддитивном производстве:
- Нитинол — никель-титановый сплав (NiTi). Материал известен своей высокой биосовместимостью, коррозионной стойкостью и сверхэластичными свойствами. Нитинол широко используется в биомедицинских имплантатах и аэрокосмических приводах.
- Сплавы на основе меди (Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al). Это достаточно экономичные альтернативы NiTi, обладающие хорошими свойствами памяти формы и используемые в тех областях, где приоритетна низкая стоимость.
- Сплавы на основе железа (Fe-Mn-Si). Отмеченные высокой прочностью и усталостной прочностью, эти сплавы подходят для конструкционных применений.
- Сплавы Ni-Ti-Hf-Zr SMA обеспечивают работу в более широком диапазоне температур (от -100°C до 300°C) и большую стабильность размеров, прочность, чем любой другой сплав с ЭПФ, представленный на рынке. Применяется в аэрокосмической, автомобильной, биомедицинской и прочих отраслях.
Рис. Виды сплавов с ЭПФ
Рассмотрим преимущества использования ЭПФ в АП металлов:
- Гибкость проектирования. Программное обеспечение под возможности АП позволяет создавать сложные геометрические формы, которые трудно изготовить с помощью традиционных методов производства. Это особенно полезно при работе с ЭПФ, поскольку их свойства можно оптимизировать путём управления микроструктурой с помощью известных методов AП – селективного лазерного плавления (СЛП/LB-PBF) или электронно-лучевого плавления (ЭЛП/EB-PBF).
- Кастомизация и прототипирование: благодаря сплавам с ЭПФ можно быстро создавать прототипы и изготавливать изделия на заказ, что очень важно для таких отраслей, как авиастроение, космонавтика, медицина.
- Экономия материалов. Процессы АП зачастую минимизируют отходы материала за счёт его послойного добавления, что очень важно при работе с дорогими материалами ЭПФ, в том числе с нитинолом.
- Расширенные функциональные возможности. Благодаря использованию «эффекта памяти» формы и сверхэластичности изделия могут иметь встроенные возможности срабатывания и демпфирования при определённых условиях, что делает их идеальными для применения в робототехнике и адаптивных аэрокосмических конструкциях.
Когда сто́ит применять сплавы с ЭПФ в аддитивном производстве:
- Аэрокосмические компоненты:
- приводы/актуаторы и адаптивные конструкции. ЭПФ-материалы могут применяться для производства лёгких и отзывчивых приводов для самолётов, которые адаптируют свою форму в ответ на внешние раздражители, повышая аэродинамическую эффективность и экономию топлива. Например, ЭПФ-актуаторы на основе NiTi можно использовать в трансформирующихся крыльях, которые меняют свою форму во время полёта для оптимизации характеристик.
- системы терморегулирования: ЭПФ могут служить в качестве чувствительных к температуре компонентов в системах терморегулирования для спутников, изменяя свою форму для эффективного управления теплоотдачей.
- Биомедицинские имплантаты:
- стенты и ортодонтические устройства. Биосовместимость и сверхэластичность нитинола делают его идеальным материалом для производства саморасширяющихся стентов, которые могут сжиматься при установке, а затем расширяться для поддержки кровеносных сосудов. Аналогичным образом, ортодонтическая проволока для зубных дуг на основе ЭПФ оказывает постоянное давление в течение долгого времени, снижая необходимость в частой настройке.
Рис. Графическое представление установки стенда в артерию
- устройства для фиксации костей. Печатаемые винты из ЭПФ-материалов и пластины могут соответствовать сложным костным структурам, обеспечивая более эффективные и персонализированные варианты лечения.
- Роботизированные актуаторы:
- мягкая робототехника. ЭПФ совершают революцию в области мягкой робототехники, предлагая материалы, способные обеспечивать сходное с мышцами управление. Например, проволока из нитинола может быть напечатана на 3D-принтере для использования в роботизированных захватах, которые регулируют силу и форму захвата в зависимости от объектов, с которыми они работают.
- медицинская робототехника. В малоинвазивных хирургических роботах компоненты ЭПФ обеспечивают точные, контролируемые движения, снижая агрессивность хирургических процедур.
- Автомобильные компоненты:
- компоненты, реагирующие на температуру. Приводы на основе ЭПФ могут быть интегрированы в автомобильные системы климат-контроля, регулируя поток воздуха в зависимости от изменения температуры. Кроме того, пружины из ЭПФ материалов могут использоваться в системах безопасности автомобилей, таких как раскладывающиеся бамперы, которые активируются при ударе.
- Энергетические и экологические применения:
- интеллектуальные сети и датчики. Сплавы с ЭПФ могут использоваться в интеллектуальных сетях для динамического управления нагрузками, оптимизируя распределение энергии. Они также играют роль в создании чувствительных датчиков, которые могут подстраиваться под изменения окружающей среды, предоставляя данные в режиме реального времени для принятия более эффективных решений.
В качестве подробного примера рентабельного производства изделий из нитинола с помощью АП можно привести печать артериальных стентов. Они представляет собой трубку из проволочной сетки, которая действует как каркас, удерживая артерию открытой и восстанавливая нормальный кровоток в области, где образовались бляшки. Такие стенты должны решить две ключевые проблемы: введение во время операции и способность сохранять первоначальную форму в течение длительного времени.
Раньше нитиноловые стенты изготавливались из спиральной, плетеной или трикотажной проволоки, но в местах, где проволока пересекалась, толщина стенок увеличивалась. Сегодня большинство из них изготавливаются из бесшовных нитиноловых микротрубок, из которых лазером вырезают сетчатые конструкции. Стенты, вырезанные лазером, требуют обработки поверхности посредством кислотного травления или электрополировки для удаления зоны термического воздействия, оставшейся в результате лазерной резки, и создания слоя оксида титана, который противостоит коррозии и делает устройства более биосовместимыми.
Используя аддитивную технологию L-PBF/SLM можно создавать индивидуальные конструкции артериальных стентов, лучше подходящих для каждого пациента.
Сплав нитинола на 55% состоит из никеля, и такое содержание никеля способствует температуре трансформации материала, температуре, которая вызывает возврат материала в первоначальное состояние. Для этих саморасширяющихся стентов трансформация должна происходить при температуре около 37°C. Никель имеет низкое давление паров по сравнению с титаном, и он может испаряться под действием лазера. Если какая-то часть никеля будет утеряна при печати, то это изменит соотношение никель-титан, и температура трансформации полностью изменится. Поэтому очень важно правильно подбирать параметры для работы принтера, а также термическую постобработку. Также стенды обычно строятся вертикально, поэтому каждый угол геометрии составляет не менее 45 градусов, и это помогает обходится без использования поддержек.
Рис. Артериальные стенты из нитинола, построенные вертикально практически без поддерживающих структур (CSIRO)
Однако при несомненной перспективности применения сплавов с ЭПФ, существует и ряд проблем, требующих решения:
- Высокая стоимость материалов: сплавы с ЭПФ, особенно нитинол, являются дорогостоящими. По этой причине для минимизации потерь материала требуется оптимизировать производственный процесс.
- Сложность обработки: нежелательные фазовые превращения могут происходить в материалах при работе с такими технологиями, как ЭЛП и ЭЛП, что часто будет приводить к внутренним напряжениям и снижению характеристик материала. Контроль этих параметров крайне важен для поддержания желаемых свойств памяти формы и сверхэластичности.
- Финишная обработка поверхности и необходимость в постобработке: результатом АП часто являются поверхности с высоким уровнем шероховатости. Для улучшения качества поверхности и лучшей биосовместимости требуется проведение постобработки. Для решения этой проблемы можно использовать такие методы, как электрохимическая полировка или лазерная обработка поверхности.
- Проблемы масштабируемости: несмотря на то что АП отлично подходит для создания прототипов и для мелкосерийного производства, масштабирование для массового производства может быть дорогостоящим и технически сложным из-за специфических требований ЭПФ-материалов.
Практические рекомендации:
- Оптимизация: используйте передовые инструменты моделирования для оптимизации параметров АП для работы со сплавами с ЭПФ, например, мощность лазера, скорость сканирования и ориентация деталей в камере построения. Это позволяет уменьшить количество дефектов и улучшить свойства материала.
- Сотрудничество с материаловедами: взаимодействуйте с ними для разработки индивидуальных составов сплавов с ЭПФ, отвечающих конкретным требованиям. Изменение микроструктуры сплава с помощью АП может значительно улучшить его свойства.
- Постобработка: используйте важную и ответственную постобработку, такую как термообработка и финишная обработка поверхности.
- Используйте гибридные подходы к производству: сочетание АП с традиционными субтрактивными методами может помочь преодолеть некоторые ограничения АП, такие как качество обработки поверхности и масштабируемость.
- Контроль качества: разработайте строгие протоколы контроля качества для мониторинга и управления микроструктурными характеристиками и механическими свойствами деталей.
- Нормативные требования: для таких отраслей, как медицина и аэрокосмическая промышленность, соблюдение отраслевых стандартов и норм имеет решающее значение. Регулярно консультируйтесь с регулирующими органами и обновляйте свои процессы в соответствии с меняющимися требованиями.
Выводы
Сплавы с памятью формы представляют собой важную часть развития технологий АП, и имеют большой потенциал роста, позволяя производить сложные и ответственные компоненты для многих отраслей промышленности. Понимание практического применения, преимуществ и проблем, связанных с использованием сплавов с ЭПФ в АП, позволит стимулировать инновации, оптимизировать производство и сохранить конкурентное преимущество в этой быстроразвивающейся области. При стратегическом планировании и постоянной оптимизации сплавы с ЭПФ могут помочь раскрыть новые возможности в разработке, функциональности и адаптивности в АП металлов.
