Laser Powder Bed Fusion, ein 3D-Druckverfahren, bietet Potenzial in der Fertigungsindustrie, insbesondere bei der Herstellung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen mit komplexen Geometrien. Obwohl diese Herstellungstechnik für Anwendungen in den Bereichen Biomedizin und Luft- und Raumfahrt attraktiv ist, hat sie selten die Superelastizität gezeigt, die für spezifische Anwendungen unter Verwendung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen erforderlich ist. Während des 3D-Druckprozesses erzeugte Defekte und Veränderungen, die dem Material auferlegt wurden, verhinderten, dass die Superelastizität in 3D-gedrucktem Nickel-Titan auftritt.
Forscher der Texas A&M University haben kürzlich eine überlegene Zug-Superelastizität demonstriert, indem sie eine Formgedächtnislegierung durch Laser-Pulverbettfusion hergestellt haben, wodurch die maximale Superelastizität, die in der Literatur für den 3D-Druck angegeben ist, nahezu verdoppelt wird.
Diese Studie wurde kürzlich in Bd. 229 der Acta Materialia Tagebuch.
Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen haben verschiedene Anwendungen aufgrund ihrer Fähigkeit, beim Erhitzen oder beim Entfernen der angelegten Spannung in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Daher können sie in der Biomedizin und der Luft- und Raumfahrt für Stents, Implantate, chirurgische Geräte und Flugzeugflügel verwendet werden. Die Entwicklung und ordnungsgemäße Herstellung dieser Materialien erfordert jedoch umfangreiche Forschung, um die funktionellen Eigenschaften zu charakterisieren und die Mikrostruktur zu untersuchen.
„Formgedächtnislegierungen sind intelligente Materialien, die sich an ihre Hochtemperaturformen erinnern können“, sagte Dr. Lei Xue, ehemaliger Doktorand in der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik und Erstautor der Veröffentlichung. „Obwohl sie auf viele Arten verwendet werden können, erfordert die Herstellung von Formgedächtnislegierungen in komplexen Formen eine Feinabstimmung, um sicherzustellen, dass das Material die gewünschten Eigenschaften aufweist.“
Laser Powder Bed Fusion ist eine additive Fertigungstechnik, die eine Möglichkeit bietet, Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen effektiv und effizient herzustellen und einen Weg für eine schnelle Fertigung oder Prototypenerstellung bietet. Diese Technik, ähnlich dem Polymer-3D-Druck, verwendet einen Laser, um Metall- oder Legierungspulver Schicht für Schicht zu verschmelzen. Der Schicht-für-Schicht-Prozess ist vorteilhaft, da er Teile mit komplexen Geometrien herstellen kann, die in der traditionellen Fertigung unmöglich wären.
„Mit einem 3D-Drucker verteilen wir das Legierungspulver auf einem Substrat und verwenden dann den Laser, um das Pulver zu schmelzen und eine vollständige Schicht zu bilden“, sagte Xue. „Wir wiederholen diese Schichtung und scannen dieselben oder unterschiedliche Muster, bis die gewünschte Struktur entsteht.“
Leider können die meisten Nickel-Titan-Materialien dem aktuellen Laser-Pulverbett-Fusionsprozess nicht standhalten, was häufig zu Druckfehlern wie Porosität, Verziehen oder Delaminierung führt, die durch einen großen Wärmegradienten und Sprödigkeit durch Oxidation verursacht werden. Außerdem kann der Laser durch Verdunstung beim Drucken die Zusammensetzung des Materials verändern.
Um diesem Problem entgegenzuwirken, verwendeten die Forscher einen Optimierungsrahmen, den sie in einer früheren Studie erstellt haben und der optimale Prozessparameter bestimmen kann, um eine fehlerfreie Struktur und spezifische Materialeigenschaften zu erreichen.
Mit diesem Rahmen sowie der Änderung der Zusammensetzung und der verfeinerten Prozessparameter stellten die Forscher Nickel-Titan-Teile her, die im Druckzustand (ohne Wärmebehandlung nach der Fertigung) durchweg eine Zug-Superelastizität bei Raumtemperatur von 6 % aufwiesen. Dieser Grad an Superelastizität ist fast doppelt so hoch wie zuvor in der Literatur für den 3D-Druck.
Die Möglichkeit, Formgedächtnislegierungen durch 3D-Druck mit erhöhter Superelastizität herzustellen, bedeutet, dass die Materialien die aufgebrachte Verformung besser bewältigen können. Die Verwendung des 3D-Drucks zur Entwicklung dieser überlegenen Materialien wird die Kosten und den Zeitaufwand des Herstellungsprozesses reduzieren.
Die Forscher hoffen, dass ihre Entdeckungen in Zukunft zu einer verstärkten Verwendung von gedruckten Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen in biomedizinischen und Luft- und Raumfahrtanwendungen führen werden.
„Diese Studie kann als Leitfaden für das Drucken von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen mit den gewünschten mechanischen und funktionalen Eigenschaften dienen“, sagte Xue. „Wenn wir die kristallografische Textur und Mikrostruktur maßschneidern können, gibt es weitaus mehr Anwendungen, in denen diese Formgedächtnislegierungen verwendet werden können.“
Diese Forschung wurde vom US Army Research Laboratory, dem Stipendium des National Priorities Research Program, dem Qatar National Research Fund und dem Stipendium der US National Science Foundation finanziert.
Weitere Mitwirkende an der Veröffentlichung sind Dr. Ibrahim Karaman, Abteilungsleiter für Materialwissenschaft und -technik; die Professoren für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften, Dr. Kadri Can Atli und Dr. Raymundo Arroyave; ehemaliger Student der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften Dr. Abhinav Srivastava und aktueller Student Nathan Hite; Wm Michael Barnes ’64 Professor Dr. Alaa Elwany vom Department of Industrial Systems and Engineering; Industriesystem- und Ingenieurstudent Chen Zhang; und die Forscher des US Army Research Laboratory, Dr. Asher C. Leff, Dr. Adam A. Wilson und Dr. Darin J. Sharar.
L. Xue et al, Laser-Pulverbett-Schmelzen von fehlerfreien NiTi-Formgedächtnislegierungsteilen mit überlegener Zug-Superelastizität, Acta Materialia (2022). DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117781