I ricercatori raggiungono una svolta nella produzione additiva di nitinol / Researchers Achieve Breakthrough In Additive Manufacturing Of Nitinol

 I ricercatori raggiungono una svolta nella produzione additiva di nitinol / Researchers Achieve Breakthrough In Additive Manufacturing Of Nitinol

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

A prima vista, metalli e tessuti sembrano avere poco in comune.

Tuttavia, producendo leghe di nichel-titanio come strutture intrecciate altamente deformabili, più simili a tessuti che a componenti metallici convenzionali, i ricercatori dell'IMDEA Materials Institute e dell'Università Tecnica di Madrid (UPM) hanno svelato proprietà precedentemente irraggiungibili. La loro metodologia incentrata sulla progettazione ha aumentato significativamente la deformabilità dei metamateriali superelastici in nitinol intrecciati, con risultati pubblicati su Virtual and Physical Prototyping. Il lavoro potrebbe supportare lo sviluppo di attuatori avanzati per la robotica, l'aerospaziale e l'assistenza sanitaria.

Limitazioni dell'attuale stampa 3D in nitinol

Le leghe di nichel-titanio (nitinol) sono apprezzate per la loro superelasticità e la memoria di forma, ma la loro compatibilità con la produzione additiva è stata limitata. Quando lavorato con la fusione laser a letto di polvere (LPBF), il nitinol mostra in genere un'elasticità ed una deformazione recuperabile ridotte rispetto ai materiali prodotti con metodi convenzionali.

"Sebbene l'LPBF rimanga il gold standard della produzione additiva di nitinol, le proprietà di memoria di forma e superelasticità di questi componenti in NiTi realizzati tramite addizione non sono ancora all'altezza di quelle ottenute con processi industriali più convenzionali", afferma Carlos Aguilar Vega, ricercatore presso IMDEA Materials e UPM. "Di fatto, questo significa che finora non siamo stati in grado di sfruttare il maggiore controllo delle prestazioni meccaniche tramite la progettazione, né la complessità geometrica offerta dalle tecniche di stampa 3D nella produzione additiva di strutture in nitinol."

Studi precedenti indicano che i campioni di nitinol stampati in 3D presentano circa la metà della deformabilità rispetto ai loro equivalenti prodotti industrialmente, mentre i processi additivi spesso producono materiali più fragili.

Strategia incentrata sulla progettazione per strutture intrecciate

Per superare queste limitazioni, il gruppo di ricerca ha adottato un approccio incentrato sulla progettazione, concentrandosi su strutture progettate per migliorare le prestazioni meccaniche attraverso la geometria piuttosto che la sola ottimizzazione dei materiali. Si sono concentrati su forme intrecciate altamente deformabili, tra cui mesh, sfere ed anelli.

"Si tratta di alcune delle strutture in nitinol intrecciato dalla forma più complessa mai create", spiega il coautore Prof. Andrés Díaz Lantada di UPM e IMDEA Materials. "Rappresentano una svolta promettente nella produzione additiva di leghe superelastiche e dimostrano la possibilità di realizzare tessuti in NiTi autoportanti tramite tecniche LPBF."

Progettazione e convalida algoritmica

Lo studio introduce un framework di progettazione basato su algoritmi per la creazione di metamateriali intrecciati altamente deformabili, studiati appositamente per la produzione additiva di nitinol. Utilizzando questo metodo, il gruppo ha sviluppato due principali famiglie di strutture: reticoli tubolari ed architetture intrecciate cilindriche.

Entrambi sono stati stampati con successo in nitinol superelastico e caratterizzati sistematicamente. I test meccanici hanno dimostrato che rigidità, capacità di carico, assorbimento di energia e tenacità possono essere modulati su diversi ordini di grandezza attraverso la sola progettazione.

Per verificare la stampabilità e l'accuratezza strutturale, i ricercatori hanno confrontato le scansioni tomografiche computerizzate di campioni stampati con modelli digitali generati dal software slicer per la stampa 3D. Questa validazione multiscala ha confermato la robustezza della metodologia e la sua idoneità per architetture complesse e personalizzabili.

"Questo lavoro rappresenta la prima dimostrazione dell'ottimizzazione basata sulla progettazione del nitinol superelastico prodotto in modo additivo, dimostrando che gli svantaggi meccanici insiti negli attuali processi di produzione additiva possono essere efficacemente mitigati attraverso l'architettura", conclude Aguilar Vega.

Del gruppo di ricerca facevano parte anche Óscar Contreras di IMDEA Materials, il Dott. Muzi Li, la Dott.ssa Vanesa Martínez, Amalia San Román e il Prof. Jon Molina, che hanno lavorato insieme a Rodrigo Zapata Martínez di UPM.

ENGLISH

At first glance, metals and textiles appear to have little in common.

Yet by manufacturing nickel–titanium alloys as highly deformable, interwoven structures more akin to fabric than conventional metal components, researchers from IMDEA Materials Institute and the Technical University of Madrid (UPM) have unlocked properties not previously achievable. Their design‑focused methodology has significantly increased the deformability of woven superelastic nitinol metamaterials, with findings published in Virtual and Physical Prototyping. The work could support the development of advanced actuators for robotics, aerospace and health care.

Limitations Of Current Nitinol 3D Printing

Nickel–titanium (Nitinol) alloys are valued for their superelasticity and shape‑memory behaviour, but their compatibility with additive manufacturing has been constrained. When processed using laser powder bed fusion (LPBF), nitinol typically shows reduced elasticity and recoverable strain compared with conventionally produced material.

"While LPBF remains the gold standard of nitinol additive manufacturing, the shape-memory and superelastic properties of these additively manufactured NiTi parts do not yet match those achieved with more conventional industrial processes," says Carlos Aguilar Vega, researcher at IMDEA Materials and UPM. "Effectively, this means that we have so far been unable to harness the enhanced control of mechanical performance by design, or the geometrical complexity offered by 3D printing techniques in the additive manufacturing of nitinol structures."

Previous studies indicate that 3D‑printed nitinol samples exhibit roughly half the deformability of industrially manufactured equivalents, with additive processes often producing more brittle materials.

Design‑Centred Strategy For Woven Structures

To overcome these limitations, the research team adopted a design‑centred approach, focusing on architected structures that enhance mechanical performance through geometry rather than material optimisation alone. They concentrated on highly deformable woven forms, including meshes, spheres and rings.

"These were some of the most complex-shaped woven nitinol structures ever created," explains co‑author Prof. Andrés Díaz Lantada from UPM and IMDEA Materials. "Promisingly, they represent a breakthrough in the additive manufacturing of superelastic alloys and demonstrate the possibility of achieving self-supported NiTi wovens via LPBF techniques."

Algorithmic Design And Validation

The study introduces an algorithm‑based design framework for creating highly deformable interwoven metamaterials tailored for nitinol additive manufacturing. Using this method, the team developed two main families of structures: tubular lattices and cylindrical woven architectures.

Both were successfully printed in superelastic nitinol and systematically characterised. Mechanical testing showed that stiffness, load‑bearing capacity, energy absorption and toughness can be modulated across several orders of magnitude through design alone.

To verify printability and structural accuracy, the researchers compared computed tomography scans of printed samples with digital models generated by 3D printing slicer software. This multi‑scale validation confirmed the robustness of the methodology and its suitability for complex, customisable architectures.

"This work represents the first demonstration of design-based optimization of additively manufactured superelastic nitinol, showing that mechanical drawbacks inherent to current additive manufacturing processes can be effectively mitigated through architecture," concludes Aguilar Vega.

The research team also included IMDEA Materials’ Óscar Contreras, Dr. Muzi Li, Dr. Vanesa Martínez, Amalia San Román and Prof. Jon Molina, working alongside UPM’s Rodrigo Zapata Martínez.

Da:

https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/researchers-achieve-breakthrough-in-additive-manufacturing-of-nitinol