形状记忆合金（镍钛合金）的增材制造
医学中的 4D 打印：自膨胀支架和超弹性机械臂。
1。简介：记忆的金属
如果人体内的手术支架一达到体温就会自动调整形状呢？如果飞机机翼在没有任何机械电机的情况下根据高度改变其几何形状会怎样？
这就是形状记忆合金（Shape Memory Alloys - SMA）的应用领域。这些金属中无可争议的王者是镍钛诺，这是一种几乎由 50% 镍和 50% 钛组成的合金。镍钛诺的 3D 打印（激光粉末床融合 - PBF-LB）开辟了可编程 4D 物质的全新维度。
形状记忆效应如何发挥作用？
镍钛诺经历固-固相变。当冷时（马氏体相），金属很软并且可以塑性弯曲。加热时，晶体结构转变为硬质奥氏体相。金属“记住”其原始的、经过训练的形状，并以巨大的力量跳回原来的形状。
2。医疗技术的超弹性
除了形状记忆之外，镍钛诺还有第二个超能力：超弹性。这种金属可以拉伸高达 8%（普通钢的断裂率远低于 1%），并且可以像橡皮筋一样弹回而不会损坏。
这使得镍钛诺成为救生植入物的终极材料。心脏瓣膜框架或支架被极度折叠并推入细导管中。一旦医生释放血管中的支架，打印的镍钛诺网格就会利用体热膨胀到目标尺寸并支撑静脉。
3。 3D 打印面临的挑战
以传统方式铣削镍钛诺几乎是不可能的（它会远离铣刀或变硬）。这使得 3D 打印极具吸引力。但镍钛合金的 PBF-LB 工艺就像走钢丝。
- 蒸发问题：镍钛诺的转化温度取决于精确的化学混合物（镍到钛），精确到十分之一度。当 3D 打印机中的激光熔化粉末时，一小部分镍会蒸发，因为它的沸点比钛低。成品部件中的合金比粉末中的镍含量少 - 形状记忆效应不再正常发挥作用（温度变化）。
- 为了防止这种情况发生，必须完美地调整激光参数，使熔池变得足够深而不会蒸发元素。镍含量极少的粉末通常用于补偿蒸发损失。
4。第四维度：可编程机器人
通过 3D 打印，您不仅可以确定外部设计，还可以在组件中局部改变合金（例如通过铜的原位合金化）。通过这种方式，您可以制作一个不需要手臂上任何关节或电子设备的打印夹臂。
如果向手臂施加电压，手臂会因阻力、弯曲和握力而发热。如果关闭电源，它会冷却并再次打开。这是一款仅由一块实心 3D 打印金属制成的电机。
5。结论：仿生学的局限性
3D 打印的几何自由度（晶格、空心管）与镍钛合金的特性相结合，将增材制造带入第四维度（4D 打印：时间/变化）。尽管存在巨大的冶金障碍，印刷镍钛诺将从根本上改变未来十年的微创手术和软机器人技术。