米国の研究者が超弾性を持つ3Dプリント形状記憶合金を開発！

はじめに: レーザー粉末床溶融結合法は、特に複雑な形状のニッケルチタン形状記憶合金の製造において大きな可能性を秘めた 3D 印刷技術です。この製造技術はバイオメディカルや航空宇宙への応用には魅力的ですが、ニッケルチタン形状記憶合金の望ましい超弾性を実現するために使用されることはほとんどありません。 3D プリントされた NiTi 合金における超弾性の実現は、3D プリントプロセス中に生成される欠陥と材料に及ぼされるさまざまな力によって妨げられます。

2022年5月、アンタークティックベアは、テキサスA&M大学の研究者がレーザー粉末床溶融法による形状記憶合金の製造により、優れた引張超弾性を実証したことを知りました。これは、文献で報告されている3Dプリントで達成可能な最大超弾性の2倍です。この研究は最近、Acta Materialia誌に掲載されました。

ニッケルチタン形状記憶合金は、加熱または加えられた応力の除去後に元の形状に戻る能力があるため、さまざまな用途に使用されています。そのため、バイオメディカルや航空宇宙分野のステント、インプラント、外科用器具、航空機の翼などに使用できます。しかし、これらの材料を開発し、適切に製造するには、その機能特性を評価し、微細構造を調べるための広範な研究が必要です。

「形状記憶合金は、高温での形状を記憶できるスマートな材料であり、さまざまな用途に使用できるが、形状記憶合金を複雑な形状に製造するには、材料が望ましい特性を持つように微調整する必要がある」と研究者らは論文で述べている。レーザー粉末床溶融結合は、ニッケルチタン形状記憶合金を効率的に製造する方法を提供する付加製造技術であり、迅速な製造や試作への道を開く。この技術はポリマー 3D プリントと似ており、レーザーを使用して金属または合金の粉末を層ごとに溶かします。レイヤーごとのプロセスにより、従来の製造では不可能な複雑な形状の部品を作成できます。研究者らは次のようにも指摘している。「3Dプリンターを使用して、合金粉末を基板上に均一に分散させ、その後、レーザーを使用して粉末を溶かして完全な層を形成します。希望する構造が形成されるまで、同じパターンまたは異なるパターンをスキャンしながら、この層形成を繰り返します。」

残念ながら、ほとんどの NiTi 材料は現在のレーザー粉末床溶融プロセスに耐えることができず、大きな熱勾配と酸化脆性により、多孔性、反り、剥離などの印刷欠陥が生じることがよくあります。さらに、レーザーは印刷プロセス中の蒸発により材料の組成を変えます。この問題に対処するため、研究者らは以前の研究で作成した最適化フレームワークを使用し、欠陥のない構造と特定の材料特性を実現するための最適なプロセスパラメータを決定しました。

研究者たちは、このフレームワークと、組成および処理パラメータのバリエーションを使用して、印刷されたままの状態（製造後の熱処理なし）で一貫して 6% の室温引張超弾性を示すニッケルチタン部品を製造しました。この超弾性のレベルは、3D プリンティングの文献でこれまでに確認されたレベルのほぼ 2 倍です。

△引張特性の比較

3D プリントによって超弾性を高めた形状記憶合金を製造できるということは、これらの材料が加えられた変形にさらに大きな程度まで抵抗できることを意味します。 3D プリントを使用してこれらの高品質の材料を開発することで、製造プロセスのコストと時間が削減されます。研究者たちは、将来、この研究結果によって、印刷されたニッケルチタン形状記憶合金のバイオメディカルおよび航空宇宙用途での使用が増加することを期待している。

研究者らは次のように述べている。「この研究は、望ましい機械的特性と機能的特性を持つニッケルチタン形状記憶合金を印刷する方法のガイドとして役立つ可能性がある。結晶構造と微細構造を調整できれば、これらの形状記憶合金をより多くの用途に使用できるだろう。」

この研究は、米国陸軍研究所、国家優先研究イニシアチブ助成金、カタール国立研究基金、国立科学財団によって資金提供された。
詳細については、元の論文をダウンロードしてください：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117781

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