Nitinol is een metaallegering met unieke eigenschappen en toepassingen. Deze magische metaallegering kan zich ‘onthouden’ of van vorm veranderen op basis van de temperatuur. Hier zijn enkele dingen die u moet weten voordat u besluit of u Nitinol wilt gebruiken in het ontwerp van uw medische apparatuur.
Hoe wasNitinol ontwikkeld?
Nitinol is ontstaan uit een fout in 1959. Wetenschappers ontwikkelen een legering die hittebestendig en corrosiebestendig is, en creëerden daarbij een legering gemaakt van 55% nikkel en 45% titanium. De naam vertegenwoordigt de elementaire samenstelling en oorsprong ervan. "Ni" en "Ti" zijn de atomaire symbolen voor nikkel en titanium, en "NOL" staat voor het Naval Ordinance Laboratory, het laboratorium waar het werd ontdekt.
Waar isNitinol gebruikt?
Nitinol bestaat al sinds het begin van de jaren zestig, maar werd pas twintig jaar later op de markt gebracht vanwege de strenge controles die tijdens het productieproces nodig waren. Sindsdien is het een belangrijk materiaal geworden voor robotica en medische apparatuur. Nitinol is superelastisch (10 keer elastischer dan andere metalen) en de thermische vormgeheugeneigenschappen zijn anders dan bij enig ander verkrijgbaar materiaal.
Nitinol wordt vaak gebruikt in toepassingen met beperkte ruimtevereisten, waarbij traditionele mechanismen niet kunnen worden geïnstalleerd. Eén zo'n toepassing vereist dat een apparaat of structuur in een kleine opening wordt gestoken en vervolgens wordt losgelaten om te openen naar een grotere ingestelde maat. Een samengeperste nitinoldraad of -structuur wordt in een kleine toedieningsbuis gestoken en vervolgens op zijn plaats geplaatst. Eenmaal ingezet, breidt de nitinolstructuur zich uit tot meerdere malen de diameter van de toedieningsbuis.
Hoe werktNiTi-werk?
Een van de meest waardevolle eigenschappen van Nitinol is het tweezijdige vormgeheugeneffect. Dit vormgeheugeneffect treedt op wanneer een metaal een omkeerbare fasetransformatie ondergaat tussen de austeniet- en martensietfase. Metaalatomen zijn gerangschikt in specifieke structuren op basis van hun samenstelling, maar veranderen zelden van structurele vorm wanneer ze zich in de vaste toestand bevinden.
Bij hoge temperaturen komen metalen in de austenietfase. In dit stadium bereikt het de maximale stijfheid en buigt het als een veer. Metalen komen bij lage temperaturen in de martensietfase terecht. In dit stadium voelt het metaal elastisch aan en buigt het gemakkelijk. Wanneer Nitinol zich in zijn martensitische vorm bevindt, kan het gemakkelijk in nieuwe vormen vervormen. Wanneer het echter wordt verwarmd tot de transformatietemperatuur, keert het terug naar austeniet en krijgt het zijn vorige vorm terug.
Kleine veranderingen in de samenstelling van de legering of de warmtebehandeling kunnen de temperatuur aanpassen waarbij Nitinol zijn hoge temperatuurvorm onthoudt. Het doel van de apparatuur bepaalt welke overgangstemperatuur u kiest. Als u bijvoorbeeld een medisch hulpmiddel (zoals een stent) maakt, kiest u een overgangstemperatuur die dichtbij of gelijk is aan de menselijke lichaamstemperatuur.
Wat zijn depraktische toepassingenvan nitinol?
Robotica-ingenieurs gebruiken Nitinol vaak als actuator. In dit geval pasten ze een elektrische stroom (of warmte) toe op uitgerekte nitinoldraad. De draad krimpt tijdens het opladen en ontspant nadat het opladen stopt. In tegenstelling tot de meeste metalen krimpt Nitinol in lengte bij verhitting, maar behoudt hetzelfde absolute volume. Bovendien is de thermische beweging 100 keer groter dan die van andere metalen.
Botnagels zijn een voorbeeld van thermische krimp van NiTi-legeringen. De nietjes worden uit elkaar getrokken en in de twee gaten in het bot gestoken en vervolgens verwarmd om de oorspronkelijke vorm te herstellen. Deze techniek trekt de twee stukken effectief samen en houdt ze op hun plaats tijdens het genezingsproces.
Een ander voorbeeld is een stent, die wordt gekoeld en mechanisch wordt samengedrukt om in een katheter met een kleine diameter te passen die in een ader wordt ingebracht. Eenmaal geplaatst, wordt de stent losgemaakt van de opsluithuls en keert hij terug naar zijn oorspronkelijke vorm zodra hij de lichaamstemperatuur heeft bereikt, waardoor de slagader open blijft.
Om elastische ontplooiing te bereiken, wordt Nitinoldraad mechanisch op zijn plaats gehouden met behulp van klemmen en vervolgens verwarmd tot een bepaalde temperatuur en tijd in een gefluïdiseerd temperatuurbad, gevolgd door snelle onderdompeling in koud water. Eenmaal uit de klem verwijderd, behoudt de draad zijn vorm, ongeacht de hoek of de intensiteit van de vervorming. Wanneer u deze loslaat, keert de draad terug naar de geprogrammeerde vorm. Er zijn veel praktijkvoorbeelden van deze toepassing, zoals de Homer Mammalok naald-/draadversteller. Het apparaat voert een gebogen draad door de rechte canule en bij het terugtrekken buigt deze terug in zijn oorspronkelijke "J"-vorm. Gebruikers kunnen dit proces tientallen keren herhalen zonder de draden te vervormen.
Wat zijn enkele veel voorkomendeuitdagingenbij gebruik van Nitinol?
Een uitdaging bij het werken met Nitinol is het bepalen van de beste manier om de ene draad op de andere aan te sluiten. Afhankelijk van hun fase kunnen draden zeer elastisch of zeer stijf zijn, waardoor ze moeilijk te solderen of te lijmen zijn. Eén methode omvat het gebruik van andere materialen, zoals roestvrij staal, om de draden mechanisch aan elkaar te krimpen. Deze plooien kunnen vervolgens TIG-gelast worden aan andere componenten om het gewenste eindproduct te creëren.