Immaginate un materiale che ricordi la sua forma anche dopo essere stato contorto, piegato o allungato. Le leghe a memoria di forma (SMA) fanno proprio questo, trasformando l'ingegneria in diversi campi. Questo articolo esplora il modo in cui le SMA convertono il calore di scarto in energia meccanica, migliorano i dispositivi medici e i prodotti di uso quotidiano come gli elettrodomestici. Immergetevi per comprendere l'impatto rivoluzionario delle SMA e scoprire le loro notevoli applicazioni nella tecnologia moderna.
Lo sviluppo energetico è un'importante area di applicazione delle leghe a memoria di forma. Utilizzando la proprietà delle leghe a memoria di forma di cambiare forma durante il riscaldamento e il raffreddamento, l'energia termica di bassa qualità, come il calore di scarto, l'energia geotermica e l'energia solare, può essere convertita direttamente in energia meccanica da utilizzare.
Sulla base di questo principio, sono stati sviluppati con successo diversi motori termici, accelerando la miniaturizzazione e la portabilità dei motori termici.
Negli ultimi anni, i ricercatori di tutto il mondo hanno sviluppato materiali con funzione di memoria, soprattutto memoria di forma, memoria di temperatura e memoria di colore. Tra questi, lo sviluppo dei materiali in lega a memoria di forma è il più rapido.
Grazie alle prestazioni superiori e alle ampie prospettive di applicazione dei materiali in lega a memoria di forma in settori quali l'automobile, la robotica, lo sviluppo energetico, le apparecchiature mediche e gli elettrodomestici, essi sono diventati uno dei settori chiave per la ricerca e l'innovazione. nuovi materiali da sviluppare nel XXI secolo.
Le leghe a memoria di forma sono stati i primi materiali con funzione di memoria scoperti. All'inizio degli anni Cinquanta, gli esperti dell'Università dell'Illinois, negli Stati Uniti, scoprirono per caso, durante un esperimento, che le leghe di oro-cadmio hanno una funzione di memoria di forma.
In seguito, si scoprì che anche le leghe di indio-tallio avevano un effetto memoria simile, ma a causa del loro costo elevato non attirarono l'attenzione. Solo nel 1963 l'Istituto di Ricerca sulle Armi Navali degli Stati Uniti scoprì per caso, durante le sue ricerche sulle leghe di nichel-titanio, che queste leghe avevano un significativo effetto di memoria di forma.
Hanno anche molti vantaggi unici che altri metalli non possiedono, come l'eccellente superelasticità, la resistenza alla corrosione e alle vibrazioni. Questa scoperta ha attirato l'attenzione dei ricercatori e sono iniziate le ricerche in merito.
Negli ultimi anni, le leghe a memoria di forma sono emerse con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia e sono state sviluppate diverse decine di leghe con funzioni di memoria di forma.
Attualmente, le leghe a memoria di forma più importanti nell'uso pratico includono le serie di nichel-titanio, rame e ferro (o acciaio inossidabile).
Le leghe di nichel-titanio sono tra i materiali più pregiati e ampiamente utilizzati nelle leghe a memoria di forma. Sono caratterizzate da buona duttilità, forza di memoria di forma, deformazione, resistenza alla corrosione, resistenza elettrica e stabilità, ma hanno anche un costo elevato.
Queste leghe presentano comportamenti a memoria di forma sia unidirezionali che bidirezionali e l'intervallo di temperatura a cui presentano questi comportamenti può essere ampliato o ridotto grazie a miglioramenti della lega.
Negli ultimi anni, molti Paesi stanno lavorando a una serie di leghe di nichel-titanio migliorate con l'aggiunta di altri elementi per migliorarne ulteriormente le proprietà e ridurne i costi. Ad esempio, l'aggiunta di rame o vanadio, alluminio, cromo, zirconio e tracce di calcio può migliorare significativamente la tenacità, la lavorabilità e la tagliabilità.
Inoltre, l'aggiunta di elementi di terre rare e di boro, silicio, fosforo, zolfo, ecc. alle leghe di nichel-titanio-rame può portare a leghe a memoria di forma con caratteristiche di recupero notevolmente migliorate.
Sumitomo Electric Industries in Giappone produce fili in lega a memoria di forma esteticamente gradevoli aggiungendo rame (o alluminio, zirconio, vanadio, cobalto, ferro) a leghe di nichel-titanio e trafilando il filo dopo trattamento della superficie, soddisfacendo le esigenze decorative.
La giapponese Cantoku ha sviluppato un filo in lega di nichel-titanio con un diametro pari alla metà di quello di una ciocca di capelli, che presenta buone caratteristiche di compositività e intreccio, elasticità e sensibilità termica. Queste proprietà lo rendono ampiamente applicabile in settori come le valvole delle automobili, gli scaldabagni, i regolatori dell'acqua, i regolatori termici elettrici in miniatura e i reggiseni.
Le leghe a memoria di forma a base di rame sono più economiche e più facili da modellare rispetto alle leghe a memoria di forma di nichel-titanio, quindi hanno un notevole potenziale di sviluppo.
Tuttavia, la resistenza delle leghe a memoria di forma a base di rame è inferiore a quella delle leghe a memoria di nichel-titanio e la loro capacità di memoria diminuisce rapidamente con il riscaldamento ripetuto.
Per migliorare le proprietà meccaniche delle leghe di memoria a base di rame, piccole quantità di titanioPossono essere aggiunti manganese e zirconio. La lega a memoria di forma a base di rame più performante e più utilizzata è la lega rame-zinco-alluminio.
Questa lega ha un'elevata conducibilità termica ed è sensibile alle variazioni di temperatura, il che la rende adatta alla realizzazione di componenti termosensibili. Paesi come gli Stati Uniti e il Giappone utilizzano leghe di rame-zinco-alluminio nei dispositivi di apertura automatica delle finestre delle serre e dei vivai per regolare la temperatura ambiente.
Tuttavia, la resistività delle leghe di rame-zinco-alluminio è inferiore a quella delle leghe di nichel-titanio, rendendole inadatte a situazioni di riscaldamento elettrico. L'aggiunta di ferro o silicio può migliorare la loro resistenza alla corrosione.
Un'azienda di Tokyo, in Giappone, ha sviluppato con successo una lega di rame-nichel-alluminio con effetti di memoria del colore. Questa lega passa dal rosso al dorato al variare della temperatura e può essere ampiamente utilizzata nella produzione di artigianato artistico, decorazioni, giocattoli ed elettrodomestici.
Le leghe a memoria di forma a base di ferro sono a basso costo e abbondanti, il che le rende più competitive. Le leghe a memoria di forma a base di ferro sviluppate includono leghe di ferro-manganese, leghe di ferro-platino e leghe a memoria di forma di acciaio inossidabile.
Aggiungendo silicio alle leghe di manganese, si possono ottenere leghe ferro-manganese-silicio con buoni effetti di memoria di forma. Queste leghe hanno un'elevata resistenza ma una scarsa resistenza alla corrosione.
L'aggiunta di cromo può migliorare notevolmente la loro resistenza alla corrosione. Le leghe a memoria di forma a base di ferro sono oggi ampiamente utilizzate nella produzione di giunti per tubi, rivetti e altri connettori, oltre che di dispositivi. Non solo sono facili da installare e utilizzare, ma sono anche sicure e affidabili, il che le rende promettenti materiali funzionali.
Le leghe a memoria di forma in acciaio inossidabile di recente sviluppo in Giappone non solo hanno eccellenti caratteristiche di recupero della forma e resistenza alla corrosione, ma presentano anche una buona lavorabilità e resistenza all'ossidazione ad alta temperatura.
Oltre ai componenti principali di cromo, manganese, silicio e ferro, queste leghe contengono una certa quantità di nichel o cobalto, rame e azoto.
Queste leghe a memoria di forma in acciaio inossidabile possono essere fuse nei forni tradizionali per la produzione dell'acciaio e trasformate in prodotti finiti con metodi comuni, il che le rende estremamente versatili.
Le leghe a memoria di forma, grazie alle loro proprietà superiori, sono ampiamente utilizzate nei dispositivi di controllo automatico, nella robotica, nell'industria automobilistica, nello sviluppo energetico, nella sanità e nei beni di consumo quotidiano.
Le leghe a memoria di forma funzionano come sensori di temperatura ed elementi di attuazione, rendendoli estremamente sensibili per il controllo automatico. Uno degli impieghi più comuni di queste leghe è quello dei freni.
Oltre un centinaio di tipi diversi di freni a memoria di forma sono attualmente utilizzati nell'industria automobilistica, principalmente per controllare motori, trasmissioni e sospensioni per migliorare la sicurezza, l'affidabilità e il comfort.
Le leghe a memoria di forma sono utilizzate anche nei dispositivi di prevenzione del rumore nei sistemi di trasmissione manuale e nei dispositivi di controllo dei gas combustibili dei motori. L'effetto memoria e la superelasticità di queste leghe possono essere applicate ai sensori di spostamento e ai freni dei robot industriali.
L'applicazione dei freni in lega a memoria di forma nei robot ha ottenuto risultati incoraggianti. Utilizzando molle in lega a memoria di forma e i relativi fili di lega, è possibile assemblare piccoli robot. Controllando la contrazione della lega, le dita del robot possono aprirsi, chiudersi e flettersi.
La posizione, le azioni e la velocità del robot vengono controllate immettendo direttamente la corrente a frequenza variabile pulsata nel elemento di lega. La forza di recupero della forma è controllata dalla dimensione della corrente, rendendo i movimenti simili a quelli dei muscoli biologici.
Inoltre, lo sviluppo energetico è un altro importante campo di applicazione delle leghe a memoria di forma. Utilizzando le proprietà di cambiamento di forma delle leghe a memoria di forma durante il riscaldamento e il raffreddamento, l'energia termica di bassa qualità, come il calore di scarto, l'energia geotermica e l'energia solare, può essere convertita direttamente in energia meccanica da utilizzare.
Sulla base di questo principio, sono stati sviluppati con successo diversi motori termici, accelerando la miniaturizzazione e l'alleggerimento dei motori termici.
La superelasticità, la biocompatibilità e la non tossicità delle leghe a memoria di forma hanno portato alla loro applicazione in campo medico.
In odontoiatria, le leghe a memoria di forma possono essere utilizzate per creare radici dentali artificiali, allineatori dentali e corone dentali. Il dente artificiale è fissato su una gengiva in lega di nichel-titanio, sotto la quale si trovano fogli di radice in lega a doppio strato.
Attraverso un intervento chirurgico, questi fogli radicolari vengono fissati insieme a basse temperature e impiantati nell'osso alveolare. Sotto l'influenza della temperatura corporea, le lamine radicolari si invertono e riprendono la loro forma originale a otto, ancorandosi saldamente all'osso alveolare.
Queste radici dentali artificiali sono resistenti alla corrosione e biocompatibili e sono ampiamente utilizzate in odontoiatria.
Inoltre, le leghe a memoria di forma sono utilizzate anche come fili di allineamento dei denti, superiori a quelli in acciaio inossidabile. La superelasticità della clip in lega a memoria di forma può mantenere la sua elasticità per lungo tempo, eliminando la necessità di sostituirla a causa del rilassamento elastico.
Questa elasticità a lungo termine può ridurre il periodo di trattamento. Le leghe a memoria di forma sono utilizzate anche per la realizzazione di corone dentali, che possono adattarsi automaticamente allo sviluppo dei denti dei bambini, riducendo il disagio e il dolore legati all'uso delle corone dentali.
I dispositivi medici per le malattie vascolari realizzati con leghe di nichel-titanio a memoria di forma presentano numerosi vantaggi.
Ad esempio, un coltello per la rimozione delle embolie vascolari realizzato con una lega a memoria di forma può essere lavorato a bassa temperatura per ottenere una forma cilindrica.
Quando viene inserita nei vasi sanguigni del paziente e riscaldata a temperatura corporea, la lama del coltello si appiattisce automaticamente grazie all'effetto di memoria di forma e, ruotandola, è possibile rimuovere emboli o depositi vascolari.
Gli esperti medici hanno anche eseguito con successo interventi di rimozione di aneurismi cerebrali utilizzando una pinza realizzata con una combinazione di fili in lega a memoria di forma e fili d'argento.
Le leghe a memoria di forma sono ampiamente utilizzate anche negli elettrodomestici, come i riscaldatori per alimenti, i condizionatori d'aria e i fornelli per il riso.
Sharp Corporation in Giappone utilizza componenti in lega a memoria di forma per controllare la conversione tra il riscaldamento a microonde e quello a convezione nei riscaldatori per alimenti, riducendo significativamente il volume e il peso dei riscaldatori e tagliando i costi di due terzi.
Panasonic Corporation utilizza leghe a memoria di forma per realizzare condizionatori d'aria a doppio uso con dispositivi di conversione della direzione del vento.
La direzione del vento cambia in modo sensibile: quando la temperatura del vento è compresa tra 32-37°C, soffia verso il basso; quando la temperatura del vento scende a 25-32°C, cambia automaticamente in orizzontale.
Questo dispositivo è stabile, leggero, a basso costo e privo di rumori quando si avvia la porta a vento, il che lo rende popolare tra gli utenti. Le leghe a memoria di forma sono ampiamente utilizzate anche per realizzare termostati per cucine elettriche per il riso.
Quando la temperatura aumenta, si apre automaticamente e scollega il circuito. Quando la temperatura scende a un certo livello, ricollega l'alimentazione e mantiene automaticamente la temperatura.
Negli ultimi anni, i prodotti "a memoria" realizzati con varie leghe a memoria di forma hanno iniziato a diffondersi sul mercato e un numero crescente di questi oggetti "a memoria" è entrato nella vita quotidiana. L'applicazione delle leghe a memoria di forma sta avanzando verso la commercializzazione.
Un reggiseno "a memoria" prodotto da un'azienda giapponese di articoli di uso quotidiano è stato immediatamente apprezzato dalle donne dopo il suo arrivo sul mercato. Questo reggiseno è realizzato con un filo sottile e morbido in lega di nichel-titanio a memoria di forma, che è più leggero, più morbido, più elastico e più confortevole dei reggiseni tradizionali.
Il suo più grande vantaggio è che può ritornare alla sua forma originale attraverso il rilevamento della temperatura corporea, anche se si deforma dopo il lavaggio.
La Furukawa Electric Co., Ltd. in Giappone produce montature per occhiali in lega a memoria di forma che possono cambiare forma quando la lente si espande e si contrae, mantenendo un legame stretto con la lente stessa. L'azienda produce anche bambole che possono cambiare acconciatura grazie alle proprietà uniche delle leghe a memoria di forma.
I capelli della bambola sono realizzati in filo di lega a memoria di forma a base di rame e l'acconciatura può cambiare al variare della temperatura, rendendola estremamente popolare tra i bambini.
Un produttore di scarpe giapponese ha presentato le prime scarpe in pelle al mondo realizzate con leghe a memoria di forma, che non solo sono morbide e confortevoli, ma impediscono anche efficacemente che le scarpe si deformino.
Lo sviluppo energetico è un'importante area di applicazione delle leghe a memoria di forma. Utilizzando la proprietà delle leghe a memoria di forma di cambiare forma quando vengono riscaldate e raffreddate, l'energia termica di bassa qualità, come il calore di scarto, l'energia geotermica e l'energia solare, può essere convertita direttamente in energia meccanica da utilizzare.
Sulla base di questo principio, sono stati sviluppati con successo numerosi motori termici, accelerando la miniaturizzazione e la portabilità dei motori termici.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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