Vormgeheugenmetaal NItinol

[Innomet Ko Buijs]

Wat is vormgeheugenmetaal?

Vormgeheugenmetaal is een metaallegering die na een beperkte deformatie bij een relatief lichte temperatuurverhoging weer geheel terugkomt in zijn oude geprogrammeerde vorm onder afgifte van arbeid. Dit heeft te maken met een structuuromslag in het metaal van martensitisch naar austenitisch of andersom. De meest bekende kwaliteit is een legering van ongeveer 50% titaan en 50% nikkel dat men ook wel NItinol® noemt. Ook zijn er bepaalde koperlegeringen bekend die over deze opmerkelijke eigenschap beschikken.

Meestal geschiedt het deformeren van vormgeheugenmetaal bij kamertemperatuur en het verwarmen bij circa 60°C. Bij deze laatstgenoemde temperatuur heeft het materiaal een structuurverandering gekregen waardoor de atomen hun oude positie weer innemen. Dit leidt dan op zijn beurt weer tot het terugkomen in de oorspronkelijke vorm. Stel dat men een rechte draad bij kamertemperatuur in een bepaalde vorm buigt dan zal het zich weer geheel strekken tot de rechte oorspronkelijke vorm bij circa 60°C onder afgifte van arbeid. Deze arbeid kan men gebruiken om iets te activeren. Een voorbeeld hiervan is een actuator van geheugenmetaal die een sprinklerinstallatie start m.b.v. de warmte die vrijkomt tijdens een brand. Wel zal de deformatie beperkt moeten blijven tot maximaal 8% en dat betekent dat men het materiaal niet mag knikken.

Over de productie van vormgeheugenmetaal is veel te zeggen maar in deze blog is het niet relevant genoeg om er uitgebreid bij stil te staan. In onderstaande opsomming kan men zich daar wel een ruw idee over vormen hoewel men niet de indruk moet krijgen dat het om een simpel proces gaat. Dit blijkt in de praktijk namelijk niet het geval te zijn omdat de problematiek rond het smelten, legeren en de nodige warmtebehandelingen heel wat expertise en ervaring vereist.
Na het smelten en op 'maat' maken van de legering in een vacuüm vlamlichtboogoven ontstaat er een gieteling die als knuppel verder wordt uitgesmeed. Daarna worden er allerlei producten van gewalst die zo hun uiteindelijke vorm zullen krijgen. Deze producten krijgen een speciale warmtebehandeling voordat deze de fabriek mogen verlaten.

Om het geheel wat concreter te maken, kan men denken dat er van deze legering een spiraalveer gemaakt moet worden. Men gaat dan als volgt te werk. Een gewalste rechte draad wordt op een doorn met een bepaalde spoed gewonden en gefixeerd zodat deze vorm niet kan veranderen. Afhankelijk van de draaddikte wordt het geheel gedurende enige tijd in een vacuümoven gebracht met een temperatuur van ongeveer 500°C. De draad zal na deze warmtebehandeling de spiraalvorm als definitieve vorm aannemen. Trekt men deze veer uit bij kamertemperatuur tot bijvoorbeeld een grillige vorm, dan zal de veervorm weer geheel terugkomen bij ± 60°C onder afgifte van enige arbeid. Men kan overigens met een nieuwe warmtebehandeling weer een andere gewenste vorm aan de veer geven. Het geheugeneffect kan enigszins achteruit gaan door het mechanisch over te belasten of door een te grote vervorming te geven. Ook kan het achteruit gaan door het aan een te hoge temperatuur bloot te stellen.
De mate van het terugkomen in de oude vorm is afhankelijk van de temperatuur van het geheugenmetaal. Indien de temperatuurhysterese ligt tussen 20 en 60°C dan zal slechts het geheugeneffect ongeveer voor de helft benut worden bij een temperatuur van 40°C. Men kan dus met behulp van de temperatuur een systeem dat geactiveerd wordt met geheugenmetaal regelen.

Toepassingen kan men vinden in de lucht- en ruimtevaart, brandpreventie, actuatoren, motoren en medische toepassingen zoals implantaten omdat Nitinol biocompatibel is. Bij deze laatstgenoemde toepassing kan men denken aan ribbreukfixatie elementen, stents, spandraden voor scoliose patiënten, wervel blokkade units, elementen die botbreuken sneller laten helen en speciale spiralen tegen prostaatvergroting. Ook wordt gekeken naar kunstspieren die bij spierziekten en verlammingen weer mogelijk ledematen kunnen laten bewegen. Met dit laatstgenoemde zijn reeds succesvolle proeven gedaan.

Met een motor van geheugenmetaal kan men de restwarmte uit heet water benutten om daar weer kinetische energie van te maken. Op YouTube kan men dergelijke motoren in allerlei soorten zien na het typen van ‘shape memory engine’ en een goed voorbeeld hiervan kan men zien op onderstaande video: