Triển khai hợp kim ghi nhớ hình dạng NiTi trong in 3D cấu trúc thông minh

Nguyên lý cơ bản của hiệu ứng ghi nhớ hình dạng

Hiệu ứng ghi nhớ hình dạng của hợp kim niken-titan (NiTi, còn gọi là Nitinol) bắt nguồn từ sự biến đổi pha martensitic nhiệt đàn hồi. Trong pha austenite ở nhiệt độ cao, vật liệu có cấu trúc lập phương tập trung vào vật thể; khi được làm lạnh đến pha martensite, nó biến đổi thành cấu trúc đơn tà và có thể thay đổi hình dạng thông qua biến dạng. Khi được hâm nóng lại, vật liệu sẽ trở lại cấu trúc austenit ban đầu và hình dạng định sẵn. Quá trình biến đổi pha thuận nghịch này mang lại cho vật liệu những đặc tính phản ứng thông minh độc đáo. Tính siêu đàn hồi là kết quả của quá trình biến đổi martensite do ứng suất gây ra, cho phép vật liệu chịu được các biến dạng lớn mà không bị biến dạng dẻo và tự động trở lại hình dạng ban đầu sau khi dỡ tải.

Những điểm chính của quy trình tổng hợp giường bột bằng laser

Việc in 3D trên hợp kim NiTi chủ yếu sử dụng công nghệ tổng hợp giường bột bằng laser (LPBF), nhưng nó phải đối mặt với những thách thức như kiểm soát thành phần, ứng suất dư và kiểm soát nhiệt độ chuyển pha. Sự khác biệt về nhiệt độ bay hơi của nguyên tố Ni và Ti dẫn đến sự phân tách thành phần trong quá trình in, ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha và hiệu suất bộ nhớ. Công suất laser, tốc độ quét và chiến lược quét cần phải được tối ưu hóa chính xác để kiểm soát độ dốc nhiệt độ của bể tan chảy và tốc độ làm mát nhằm giảm xu hướng nứt nóng. Làm nóng trước lớp bột đến 150-200°C giúp giảm ứng suất dư và ngăn ngừa các bộ phận bị cong vênh và nứt.

Kiểm soát cấu trúc vi mô và chức năng

Các thông số in ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc vi mô và hiệu suất chức năng của các bộ phận NiTi. Mật độ năng lượng cao hơn thúc đẩy sự phát triển của các tinh thể cột, có lợi cho tính nhất quán của các đặc tính chức năng; mật độ năng lượng thấp hơn tạo ra cấu trúc tinh thể đẳng trục và tính chất cơ học đồng đều hơn. Quá trình xử lý nhiệt là rất quan trọng để điều chỉnh nhiệt độ chuyển pha và loại bỏ ứng suất dư. Việc xử lý dung dịch rắn làm cho sự phân bố nguyên tố trở nên đồng nhất và việc xử lý lão hóa kiểm soát hành vi thay đổi pha thông qua các pha kết tủa. Huấn luyện mạch phù hợp có thể ổn định độ đàn hồi cao và định hình hiệu ứng trí nhớ cũng như giảm mệt mỏi chức năng.

Thiết kế và xác minh cấu trúc thông minh

Ưu điểm của in 3D là hiện thực hóa các cấu trúc hình học phức tạp khó chế tạo bằng quy trình truyền thống, mang lại không gian rộng rãi cho thiết kế cấu trúc thông minh. Các thiết kế nhẹ như cấu trúc tổ ong, cấu trúc lưới và cấu trúc lỗ rỗng, kết hợp với chức năng bộ nhớ hình dạng, có thể đạt được các chức năng như biến dạng thích ứng, hấp thụ năng lượng và kiểm soát độ rung. Việc xác minh thiết kế yêu cầu kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn và thử nghiệm thực nghiệm để đánh giá đặc tính biến dạng của kết cấu trong các điều kiện nhiệt độ và tải trọng khác nhau. Dự đoán sự mệt mỏi trong cuộc sống là một vấn đề quan trọng và cần phải thiết lập một mô hình dự đoán cuộc sống có tính đến sự mệt mỏi về chức năng.

Các trường hợp ứng dụng và xu hướng phát triển

In 3D bằng hợp kim bộ nhớ hình dạng NiTi cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, cấu trúc cánh biến thiên có thể điều chỉnh thích ứng hình dạng khí động học tùy theo trạng thái chuyến bay. Trong lĩnh vực y tế, các thiết bị cấy ghép được cá nhân hóa và dụng cụ phẫu thuật xâm lấn tối thiểu sử dụng các đặc tính ghi nhớ hình dạng để đạt được khả năng triển khai thông minh. Trong lĩnh vực ô tô và robot, cấu trúc thông minh NiTi được sử dụng để giảm rung và thu năng lượng. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm in đa vật liệu để đạt được cấu trúc gradient chức năng, tích hợp hệ thống giám sát và kiểm soát phản hồi tại chỗ cũng như chuẩn bị quy mô lớn các loại bột hiệu suất cao, chi phí thấp.