Pesquisadores de Instituto de Materiais IMDEA e o Universidade Técnica de Madrid (UPM) reinventaram as ligas de níquel-titânio (Nitinol) como estruturas entrelaçadas semelhantes a tecidos, alcançando níveis de flexibilidade e desempenho mecânico anteriormente impossíveis. Ao combinar abordagens focadas no design com impressão 3D avançada, a equipe criou metamateriais superelásticos que podem transformar aplicações em robótica, aeroespacial e saúde.
O projeto, publicado em Prototipagem Digital e Físicaenvolveu Carlos Aguilar Vega, Andrés Díaz Lantadam, Óscar Contreras, Dra. Muzi Li, Dra. Vanesa Martínez, Amalia San Román, Prof. IMPLANTES-CM iniciativa financiada pelo Comunidade Autónoma de Madrid.
Lidando com as limitações do nitinol impresso em 3D
As ligas de níquel-titânio (Nitinol) são conhecidas por sua superelasticidade e propriedades de memória de forma. Embora a fusão em leito de pó a laser (LPBF) seja amplamente utilizada para impressão 3D de Nitinol, a técnica tem tradicionalmente resultado em elasticidade reduzida e menor tensão recuperável em comparação com materials processado convencionalmente.
“Embora o LPBF proceed sendo o padrão ouro da fabricação aditiva de nitinol, a memória de forma e as propriedades superelásticas dessas peças de NiTi fabricadas aditivamente ainda não correspondem às alcançadas com processos industriais mais convencionais”, diz Carlos Aguilar Vega, pesquisador da IMDEA Supplies e da UPM.
Pesquisas anteriores indicaram que o Nitinol impresso em 3D apresenta aproximadamente metade da deformabilidade do Nitinol industrial fabricado convencionalmente, com o processamento aditivo de pós tendendo a produzir materiais com maior fragilidade.
Para superar isso, a equipe passou da otimização da composição do materials para o projeto de geometrias que melhoram o desempenho mecânico, incluindo formas tecidas complexas como malhas, esferas e anéis. “Estas foram algumas das estruturas de nitinol tecido de formato mais complexo já criadas”, explica o colega autor, Prof. Andrés Díaz Lantada da UPM e do IMDEA Supplies Institute.
Estrutura Baseada em Design para Metamateriais de Alto Desempenho
Os pesquisadores desenvolveram uma estrutura algorítmica para criar metamateriais entrelaçados e altamente deformáveis, feitos sob medida para fabricação aditiva. Duas famílias de estruturas principais – redes tubulares e arquiteturas tecidas cilíndricas – foram produzidas e rigorosamente testadas.
Os testes mecânicos confirmaram que a rigidez, a capacidade de carga, a absorção de energia e a resistência poderiam ser ajustadas apenas através do projeto. Para garantir a precisão, a equipe utilizou tomografia computadorizada juntamente com modelos de impressão digital 3D, validando a precisão de geometrias complexas.
“Este trabalho representa a primeira demonstração de otimização baseada em design de nitinol superelástico fabricado aditivamente, mostrando que as desvantagens mecânicas inerentes aos atuais processos de fabricação aditiva podem ser efetivamente mitigadas por meio da arquitetura”, conclui Vega.
Projetando em torno da restrição central em nitinol impresso em 3D
O desafio central no Nitinol fabricado aditivamente não é a geometria, mas a consistência funcional. Embora o LPBF permita formas complexas, manter o comportamento de transformação estável durante o processamento permanece difícil devido à estreita tolerância de composição e sensibilidade térmica da liga. O resultado tem sido a variabilidade no desempenho em comparação com o materials produzido convencionalmente.
Muitos esforços da indústria concentraram-se, portanto, na estabilização do processo, incluindo um controle atmosférico mais rígido e parâmetros de impressão refinados para reduzir a deriva química e a anisotropia estrutural. Por exemplo, Linda implementou sistemas de gerenciamento de gás para common os níveis de oxigênio durante a AM metálica.
Apesar desses desafios, peças funcionais de Nitinol ainda podem ser realizadas. Um caso notável é um estrutura aeroespacial implantável de NiTi produzido by way of tecnologia DMP, onde um atuador impresso permitiu implantação passiva com aumento de área de superfície e peso reduzido.
O estudo IMDEA–UPM adota uma abordagem diferente. Em vez de se concentrar apenas na otimização de materiais, utiliza geometrias arquitetadas para compensar, demonstrando que o desempenho mecânico pode ser ajustado através do design.
Apesar das melhorias, as principais limitações permanecem no Nitinol impresso em 3D. Seu comportamento superelástico e com memória de forma permanece altamente sensível ao teor de níquel, à exposição ao oxigênio e à história térmica, levando à variabilidade no desempenho em comparação com o materials processado convencionalmente. O LPBF pode introduzir anisotropia microestrutural e tensões residuais que não podem ser totalmente corrigidas apenas pela geometria. Além disso, a complexidade das arquiteturas tecidas ou entrelaçadas apresenta desafios práticos para a produção em larga escala ou em massa.
O Prêmios da Indústria de Impressão 3D estão de volta. Faça já suas nomeações.
Você opera uma start-up de impressão 3D? Alcance leitores, potenciais investidores e clientes com o Início do ano na indústria de impressão 3D concorrência.
Para se manter atualizado com as últimas novidades sobre impressão 3D, não se esqueça de assinar o Boletim informativo da indústria de impressão 3D ou siga-nos no Linkedin.
A imagem em destaque mostra Redes de nitinol superelásticas impressas em 3D arquitetadas. Foto by way of Instituto de Materiais IMDEA.