Menu
Sunday, 17 Dicembre 2017
A+ A A-

Stato dell’arte sulle lavorazioni laser di leghe Nickel-Titanio a memoria di forma: taglio laser

Grazie alle proprietà funzionali uniche offerte dai materiali a memoria di forma (per esempio la super-elasticità), e in particolare dalle leghe Nickel-Titanio, le lavorazioni meccaniche tradizionali di questa classe di materiali mostrano notevoli problematiche. Essendo materiali che cambiano il loro stato in funzione sia della temperatura che della forza applicata, le lavorazioni tradizionali non possono garantire livelli soddisfacenti sia di qualità che di precisione. Al contrario, le lavorazioni non convenzionali con fasci energetici di ridotta dimensione e caratterizzati da elevata densità di potenza sono in grado di superare alcune delle problematiche delle lavorazioni tradizionali; tra le lavorazioni non convenzionali, la tecnologia laser risulta essere quella maggiormente impiegata per la lavorazione dei materiali a memoria di forma, in quanto garantisce elevate irradianze e ridotte dimensioni del fascio laser, oltre a contenuti danneggiamenti termici. In questo contesto si va a definire il presente lavoro, in cui viene proposta una revisione della letteratura scientifica relativa al principale processo laser, ovvero quello di taglio e micro-taglio, di leghe a memoria di forma a base Nickel-Titanio. In questo lavoro verranno messi in evidenza i principali risultati ottenuti, mostrando il livello di complessità e di dettaglio che sono stati raggiunti per garantire sia la lavorazione di questa classe di materiali che la loro diretta applicazione in alcuni settori di grande interesse, come quello del biomedicale e dell’attuazione.

C. A. Biffi, A. Tuissi

Febbraio-Marzo 2015

Il crescente interesse verso le leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMAs) è dovuto alle peculiari proprietà manifestate, quali l’effetto a memoria di forma, appunto, e la pseudo-elasticità [1]. L’effetto a memoria di forma si manifesta attraverso il recupero della forma iniziale da parte del materiale, a seguito di una deformazione apparentemente non recuperabile imposta nella fase del materiale stabile a bassa temperatura (martensite). Questo recupero di forma è legato alla trasformazione di fase, che avviene grazie a un opportuno riscaldamento, al di sopra della temperatura critica di trasformazione, che definisce il campo di esistenza della fase stabile ad alta temperatura (austenite). Come conseguenza di questo effetto, viene generato del lavoro meccanico. La super-elasticità, al contrario, è la capacità del materiale di recuperare completamente deformazioni imposte nell’ordine di qualche punto percentuale, fino a 8-10%, operando ad alta temperatura, ovvero in austenite. La prima proprietà descritta è utilizzata per la realizzazione di attuatori per la meccanica di precisione, per l’automotive e per l’aerospaziale, la seconda proprietà viene sfruttata prevalentemente per dispositivi biomedicali, come stent vascolari. Tali proprietà, così interessanti dal punto di vista della loro funzionalità, si rivelano sconvenienti e problematiche nel momento in cui il materiale deve essere lavorato attraverso tecnologie di lavorazione di tipo convenzionali, come quelle per asportazione di truciolo [2]. Alcuni lavori hanno mostrato come operazioni di tornitura, fresatura e foratura soffrano di differenti problematiche, quali l’elevata usura dell’utensile, un’eccessiva truciolabilità del materiale e una marcata formazione di bave. Infatti, le leghe Nickel-Titanio mostrano alta duttilità e quindi un’indesiderata truciolabilità, che comporta la formazione di bava e una forte adesione tra l’utensile e il materiale in lavorazione. Inoltre, il progressivo incrudimento del materiale si traduce in una forte usura dell’utensile [3]. Oltre a ciò, il materiale presenta un comportamento elastico che limita l’accuratezza e la precisione dimensionale della lavorazione. Questi fenomeni avvengono principalmente nei processi di micro-lavorazioni, dove l’azione dell’utensile impartisce una deformazione elastica al materiale che viene recuperata una volta rimosso il carico. Il non contatto tra pezzo e utensile, e quindi l’indipendenza dalle forze di lavorazione e dall’usura dell’utensile rende altre tipologia di lavorazioni delle alternative alle lavorazioni di tipo convenzionale. E' evidente come sia preferibile impiegare processi di lavorazione differenti, in cui si possano evitare o almeno ridurre le problematiche precedentemente riportate. Tra le tecnologie di lavorazione non convenzionali [4], una di quelle maggiormente utilizzate per lavorare i materiali a memoria di forma è quella che impiega il fascio laser. La tecnologia laser, sfruttando un’energia di tipo termico, non prevede dunque il contatto fisico tra l’utensile e il materiale. Tale tecnologia di lavorazione mostra una serie di benefici: elevata flessibilità, precisione, produttività e costituisce una valida risposta alle svariate richieste di applicazioni di queste leghe [5]. È ben noto come tramite questa tecnologia sia possibile effettuare lavorazioni sia di asportazione di materiale, come taglio e foratura, ma anche di apporto di materiale, come la saldatura, fino alla possibilità di modificare le proprietà delle superfici e di poter ricostruire parti di componenti danneggiate o persino l’intero componente con tecniche di tipo additivo. Data la notevole vastità delle lavorazioni laser eseguite sulle leghe Nickel-Titanio a memoria di forma in questo primo lavoro è stato deciso di concentrarsi sulla revisione della letteratura sul processo industrialmente più rilevante, ovvero sul processo di taglio e micro-taglio laser.

Il taglio laser
Il taglio laser è probabilmente il processo più diffuso a livello industriale per la lavorazione delle leghe di Nickel-Titanio a memoria di forma. Basti pensare che l’applicazione più venduta nel mondo SMA è lo stent cardiovascolare, che viene tagliato mediante tecnologia laser a partire da un tubo a parete sottile. Per questo motivo, ma non solo, in letteratura sono presenti lavori che riportano studi riguardanti il processo di taglio, effettuato mediante differenti sorgenti laser, su piccoli spessori, generalmente inferiori a 1 mm: il taglio di piccoli spessori è, infatti, una particolarità legata al taglio dei materiali SMA rispetto a quelli tradizionali. Come tutti i processi di tipo termico, il taglio laser introduce nel materiale delle modifiche microstrutturali localizzate in prossimità del solco di taglio, come per esempio una zona fusa e una termicamente alterata. Dato che l’effetto a memoria di forma e la super-elasticità, oltre alla resistenza meccanica e alla vita a fatica, dipendono sia dalle caratteristiche microstrutturali che da quelle superficiali, le condizioni di lavorazione rivestono una fondamentale importanza sulle prestazioni finali del dispositivo SMA. In letteratura, sono disponibili un discreto numero di lavori effettuati sul taglio e soprattutto sul micro-taglio di leghe Nickel-Titanio, destinate alla produzione di “micro electrical mechanical systems” (MEMS), di sensori e attuatori, di sistemi di micro-afferraggio e di stent per applicazioni biomedicali. Inoltre, alcuni lavori riportano degli interessanti risultati sul microtaglio di leghe ternarie Nickel-Titanio-Rame per applicazioni di smorzamento di vibrazioni meccaniche. In Figura 1 si mostrano le due principali applicazioni legate all’utilizzo dei materiali SMA: attuatori e dispositivi biomedicali. I requisiti chiave per un micro-taglio di buona qualità sono un solco di taglio molto sottile, una qualità costante e una buona stabilità del fascio laser. Alla fine del processo, eventualmente dopo una pulitura chimica, la superficie tagliata deve avere una bassa rugosità, una minima zona termicamente alterata e assenza di bava o residui di materiale rifuso. Il riscaldamento del materiale in seguito alla lavorazione laser può però provocare un cambiamento a livello microstrutturale e la conseguente perdita dell’effetto a memoria di forma nell’area intorno al solco di taglio. Se la zona influenzata termicamente è piccola rispetto all’intera struttura del componente, l’effetto della memoria di forma è conservato e la funzione del dispositivo in lega SMA viene quindi mantenuta [7]. Per la lavorazione laser delle leghe Nickel-Titanio, a causa della loro sensibilità al calore, assume ancora più importanza la vaporizzazione del materiale durante il taglio per ridurre realmente ai minimi termini la porzione di materiale modificata termicamente. Per questa ragione diventa ancora più importante utilizzare laser pulsati con la durata dell’impulso il più breve possibile, dai nanosecondi ai picosecondi o meglio ancora ai femtosecondi [6]. Diminuendo la durata dell’impulso è anche possibile realizzare dispositivi a memoria di forma con un netto risparmio di tempo legato alla successiva fase di pulizia [8].

Cosa dice la letteratura
In letteratura, la maggior parte degli articoli riportano risultati sperimentali inerenti al micro-taglio laser di leghe a memoria di forma con differenti sorgenti laser. Alcuni di questi riguardano l’impiego di fasci laser caratterizzati da impulsi lunghi [9-10], corti [11-13] e ultracorti [14-18] oppure con lunghezze d’onda differenti [19-20]. Allo stesso tempo, alcuni di questi lavori riportano lo studio dell’effetto dei principali parametri di processo sulle caratteristiche geometriche del solco di taglio attraverso approcci sistematici e attraverso metodi statistici dell’analisi dei dati. Al contrario, pochi lavori riportano quale sia l’effetto della lavorazione laser sulle proprietà funzionali dei materiali SMA, che invece li contraddistingue rispetto ai materiali tradizionali. Infine, sono stati considerati dei lavori che descrivono le prestazioni dei dispositivi SMA realizzati mediante taglio laser [21-25]. Lin et al. hanno riportato dei risultati sperimentali di taglio, ottenuti utilizzando una sorgente CO2 ed una sorgente Nd:Yag, sia su una lega Nickel-Titanio a memoria di forma che su una super-elastica [9]. In questo lavoro sono stati osservati i principali danneggiamenti di tipo termico, correlati alla conduzione di calore; questa, infatti, viene generalmente favorita operando sia a regime continuo, sia a regime pulsato, con impulsi di durate lunghe (nell’ordine di millisecondi e microsecondi). I solchi di taglio realizzati sono caratterizzati da valori abbastanza elevati di rugosità superficiale (da 6 mm a 14 mm, al variare della potenza e della velocità di processo). La parete laterale del solco di talgio mostra una grande quantità di ossido, legata anche al tipo di gas di assistenza utilizzato. In questo caso, infatti, è stato utilizzato ossigeno, noto per essere molto reattivo nei confronti dei titanio e delle sue leghe. Inoltre, i solchi di taglio hanno mostrato aumenti di durezza molto evidenti (picco di durezza pari a circa 800 HV rispetto a 220 HV del materiale di partenza), dovuti alla presenza di una grande quantità di materiale fuso, risolidificato rapidamente in loco. Le proprietà funzionali dei campioni tagliati laser hanno mostrato una riduzione della capacità della lega SMA di recuperare la forma iniziale (ovvero, l’effetto di memoria di forma) a causa dell’estesa zona termicamente alterata. Infine, non sono state osservati dei comportamenti differenti tra le due leghe Nickel-Titanio, sottoposte al taglio laser nelle medesime condizioni di processo. Pfeifer et al. hanno riportato i principali risultati relativi a uno studio sistematico per identificare l’influenza di alcuni parametri, come l’energia dell’impulso, la durata e la velocità, sul processo di taglio utilizzando una sorgente laser Nd:YAG di tipo pulsato ai millisecondi [10]. Questo è uno dei pochi articoli in cui il processo di taglio laser è stato studiato su uno spessore di 1 mm. È stato osservato come la correlazione tra i vari parametri di processo possa portare a effetti significativi sulle caratteristiche principali del solco di taglio: non solo la larghezza del solco, ma anche l’inclinazione della superficie interna e la rugosità superficiale sono state definite da correlazioni tra i parametri di processo investigati per ottenere delle condizioni operative per ottimizzare la qualità del risultato. Dal punto di vista della superficie laterale, è stata osservata la presenza di striature abbastanza evidenti, a causa dello spessore nell’ordine dei millimetri. Spesso la superficie generata dal taglio laser richiede ulteriori trattamenti superficiali affinché rispetti le caratteristiche finali richieste. Ciò avviene in particolar modo su componenti di dimensioni ridotte, in cui la zona termicamente alterata e il materiale risolidificato, a seguito alla fusione, sono tali da compromettere le proprietà termomeccaniche del pezzo finito. A proposito di ciò, Nespoli et al. hanno riportato l’evoluzione della morfologia della superficie del solco in un taglio curvo in varie condizioni: dopo taglio con sorgente in laser in fibra ai nanosecondi con un flusso di gas inerte, dopo attacco chimico e dopo elettrolucidatura (Figura 2) [11]. Il taglio laser ai nanosecondi porta alla formazione di una rilevante quantità di bava in relazione alla dimensione del solco di taglio realizzato. La pulizia chimica è in grado di rimuovere la maggior parte di materiale fuso, mentre l’elettrolucidatura ha il vantaggio di ridurre la rugosità superficiale. Il materiale, nelle varie condizioni di processo precedentemente riportate, è stato caratterizzato sia dal punto di vista calorimetrico che da quello della risposta meccanica. Nonostante il processo laser non influenzi le temperature di trasformazione del materiale, le proprietà termo-meccaniche sono sensibilmente ridotte dopo taglio laser, a causa del materiale fuso e degli altri difetti termici. Al contrario, dopo la pulizia chimica e dopo l’elettrolucidatura, il materiale torna a mostrare una risposta prossima a quella del materiale di partenza.

Taglio laser di una lega ternaria Nickel-Titanio-Rame
Nei lavori di Biffi et al. [12] e di Previtali et al. [13] sono stati riportati dei risultati legati all’effetto del taglio laser di una lega ternaria Nickel-Titanio-Rame, effettuato con le medesime condizioni sperimentali del lavoro precedente. La scelta di questa lega è giustificata dal fatto che l’aggiunta di rame aumenta la capacità intrinseca di smorzamento delle vibrazioni meccaniche del materiale stesso. Biffi et al. hanno mostrato come il taglio con laser in fibra ai nanosecondi porti alla generazione di materiale fuso, come già descritto per la lega binaria [11], prevalentemente sull’uscita del solco di taglio. L’analisi composizionale del taglio ha messo in evidenza una significativa ossidazione del materiale, che ha portato alla modifica locale della composizione chimica della lega. È stato inoltre osservato come la velocità di processo modifichi l’estensione della zona termicamente alterata nell’ordine di circa 30-40 mm. Tale valore è decisamente inferiore rispetto a quello ottenuto con sorgenti a impulsi più lunghi o con laser a emissione continua [9]. L’incremento di durezza sulla superficie di taglio (circa 700 HV a 5 mm/s e circa 500 HV a 50 mm/s), è inferiore rispetto a quello misurato nel caso del taglio del lavoro di Lin et al. [9], solo nel caso ad alta velocità; in questo caso sono state osservate delle modifiche importanti dal punto di vista calorimetrico della lega; infatti, dopo taglio laser a bassa velocità, la trasformazione di fase martensitica indica la presenza di una struttura multifasica, indice del fatto che il materiale è stato fortemente modificato dal punto di vista microstrutturale a causa del calore introdotto. Nel lavoro di Previtali et al. è stato invece messo in evidenza l’effetto del tipo di gas di assistenza, argon ed azoto, sulla morfologia del solco di taglio e sulla quantità della bava [13]. Si osserva come la morfologia e la quantità di materiale fuso siano dipendenti sia dalla velocità di processo (si distingue tra bava a bassa e alta velocità come succede comunemente nei processi di taglio plasma e taglio laser di qualche millimetri di spessore) sia dal tipo di gas di assistenza. L’uso di azoto porta alla riduzione della quantità di bava depositata sulla superficie di uscita del taglio, anche se questa rimane distribuita in modo più irregolare. Al contrario, l’uso di argon porta alla formazione di agglomerati di materiale fuso, più difficili da essere eventualmente rimossi. Infine, è stato messo in evidenza anche l’effetto combinato tra la pressione del gas e la velocità di processo per ottenere un taglio completamente passante su 100 mm di spessore: bassa pressione (2 bar) consente al fascio laser di tagliare solo a bassa velocità (circa 10 mm/s) mentre tale possibilità viene garantita anche ad alta velocità (50 mm/s) per valori di pressione crescenti (5 bar). L’effetto del tipo di gas sulla morfologia del solco di taglio è mostrato in Figura 3.

Taglio con impulsi ultracorti
Riducendo la durata dell’impulso nell’ordine degli impulsi ultracorti (pochi picosecondi oppure femtosecondi), le prestazioni qualitative del processo di taglio laser aumentano in modo evidente. Per questo motivo, il taglio ai femtosecondi è considerato con grande interesse per la sua precisione e accuratezza, ma soprattutto per la capacità di rimuovere materiale tramite un’ablazione “fredda”, riducendo i difetti termici. L’energia introdotta nel materiale è superiore rispetto all’energia che garantisce i legami nel materiale allo stato solido e quindi aziona il processo di asportazione. Quando l’impulso laser colpisce il materiale, l’energia viene assorbita a livello della banda di conduzione e quindi trasmessa internamente al materiale, minimizzando la conduzione di calore [6]. Se la diffusione termica del calore è minima, la parte di materiale che viene portata a fusione viene significativamente ridotta e quindi il processo di rimozione del materiale avviene principalmente tramite vaporizzazione. Quando la fusione avviene invece in maniera prevalente, la parte liquida prodotta risolidifica in corrispondenza della zona di taglio, alterandone le proprietà metallurgiche [11-13]. Nel processo di ablazione dei metalli, per impulsi di durata inferiore ai pochi picosecondi, l’assorbimento prevale sulla conduzione, che diventa quindi trascurabile. La richiesta di qualità sempre maggiore ha portato a una riduzione della durata dell’impulso passando dall’intervallo dei nanosecondi [11-13], ai picosecondi [19] fino ai femtosecondi [14-17]. Tale lavorazione ai femtosecondi viene preferita per la lavorazione di materiali delicati e di componenti dalle dimensioni ridotte, grazie a una maggiore risoluzione e precisione. Benché nel taglio ai femtosecondi, la zona termicamente alterata venga sostanzialmente eliminata, la corrispondente frequenza degli impulsi è in genere inferiore rispetto a quella caratteristica delle sorgenti ai picosecondi; tale differenza, ove significativa, comporta una inferiore produttività da parte delle sorgenti laser ai femtosecondi. Questa è una delle motivazioni per cui i nuovi laser ai femtosecondi stanno andando nella direzione di un aumento sia della frequenza di ripetizione degli impulsi sia di un aumento della potenza media. Huand et al. sono stati tra i primi autori a riportare dei risultati di taglio non passante su Nitinol mediante laser ai femtosecondi [14]: le dimensioni dei solchi sono decisamente più ridotte, presentando solo tracce di materiale fuso e le caratterizzazioni fatte del materiale lavorato laser indicano danneggiamenti termici minimi. La zona di materiale ridepositato, a seguito della sua vaporizzazione e a causa del non completamente efficace allontanamento dalla zona di taglio, è caratterizzata da un’estensione di circa 7 mm, mentre la rugosità ottenuta è pari a circa 0.2 mm. Gli stessi autori hanno proposto anche un confronto tra due condizioni di taglio, effettuate usando diverse durate degli impulsi (laser Ti:zaffiro con durata dell’impulso di 150fs e laser Nd:YAG con durata degli impulsi di 150ns) [15]. Risulta che il taglio a impulsi ultra-corti non modifica la microstruttura del materiale e presenta una variazione di durezza più contenuta rispetto al taglio effettuato con sorgente Nd:YAG ai nanosecondi. L’incremento di durezza nel solco di taglio, come già discusso in precedenza, è rappresentativo di materiale, caratterizzato da una microstruttura più fine rispetto a quella del materiale di partenza in quanto è stato sottoposto a un ciclo termico brusco, in cui è avvenuta una rapida risolidificazione a seguito della fusione del materiale. Infatti, il taglio con sorgente Nd:Yag ai nanosecondi ha portato a un maggiore incremento di durezza (circa 450 HV rispetto ai 220 HV del materiale di partenza) e a un’estensione della zona termicamente alterata di 200 mm; al contrario, il taglio con sorgente Ti:zaffiro ai femtosecondi ha portato sia a un minore incremento di durezza sul solco di taglio (circa 300 HV) e a una meno estesa zona termicamente alterata (circa 70 mm). Per completezza, è stato infine riportato come il taglio ai nanosecondi abbia portato alla formazione di ossidi (TiNiO2 e TiO2) mentre il taglio ai femtosecondi non ha modificato la microstruttura del materiale di partenza; infatti, misure diffrattometriche ai raggi X hanno mostrato come la superficie realizzata dal taglio ai femtosecondi e la superficie ottenuta dopo pulizia siano caratterizzate dalla medesima microstruttura senza alcun difetto. Li et al. hanno studiato in modo sistematico l’effetto di alcuni parametri, quali la fluenza e la velocità di taglio, per identificare le condizioni operative per realizzare delle incisioni superficiali [16]; successivamente, hanno valutato la morfologia di un taglio passante, effettuato per la realizzazione di micro-dispositivi. La produttività del processo e la profondità raggiunta aumentano con il crescere della fluenza; tali effetti rimangono invariati, pur cambiando le lunghezze d’onda (258 nm, 387 nm e 775 nm). Dal punto di vista morfologico, il profilo del solco di taglio appare essere pulito da materiale ridepositato. Inoltre, Hung et al. hanno messo in evidenza l’effetto del numero di passate laser e della strategia di taglio sulla larghezza e sulla profondità del solco nel taglio di tubi a parete sottile [17]. Al variare delle strategie investigate, la larghezza del solco varia da 30 mm fino a 120 mm mentre il numero di passate laser, da 5 a 25, non comporta un suo allargamento. Di conseguenza, il danneggiamento termico del materiale risente della modalità in cui il fascio laser opera la rimozione di materiale sul tubo. A ogni modo, la principale limitazione nell’utilizzo del taglio ai femtosecondi è la formazione di detriti e materiale rifuso che, dopo essere vaporizzato, possono venire depositati nell’area limitrofa alla lavorazione. Mentre i detriti possono essere rimossi in seguito con tecniche di pulizia della superficie, come ultrasuoni oppure mediante soluzioni chimiche oppure processi elettrochimici [11], il materiale rifuso si unisce più saldamente al materiale base e richiede lavorazioni più aggressive per essere rimosso.

Il taglio laser immerso in acqua
Una soluzione proposta dalla letteratura è quella di effettuare il taglio laser immerso in acqua. Muhammad et al. hanno riportato uno studio relativo al processo di taglio di tubi in Nitinol a parete sottile, immersi in acqua, con laser ai femtosecondi [18]. Il risultato ottenuto è quello di garantire la completa rimozione dei difetti di natura termica, come la zona termicamente alterata e la deposizione di bava. Il confronto tra il solco di taglio, effettuato in condizioni standard di taglio in aria, e quello realizzato in acqua mette in evidenza i benefici di questa soluzione innovativa. La qualità superficiale è decisamente migliorata con il taglio effettuato in acqua: si osserva una superficie uniforme mentre la superficie nel caso di taglio in configurazione standard mostra la formazione di piccole zone di materiale fuso o vaporizzato, che si è successivamente depositato sulla superficie del tubo. La presenza dell’acqua consente una completa evacuazione del materiale vaporizzato, oltre a essere un modo più efficace per raffreddare il materiale. Il principale vantaggio del taglio in acqua è dunque quello di poter ridurre i costi di post-processing, che è sempre effettuato come fase fondamentale per la produzione di stent per il settore biomedicale.

L’influenza della lunghezza d’onda
Un altro fattore, che influenza in modo drastico la qualità del processo di taglio laser, è la lunghezza d’onda. Yung et al. hanno studiato il processo di taglio su 350 mm di spessore di Nitinol con una sorgente Nd:Yag, caratterizzata da una lunghezza d’onda di 355 nm [19]. A causa delle ridotte potenze incidenti, è necessario considerare il numero di passate laser come un parametro significativo per la realizzazione di tagli passanti. La ridotta lunghezza d’onda consente di focalizzare meglio il fascio laser, aumentando il livello di risoluzione del processo. Muhammad et al., invece, hanno mostrato effettuato delle prove di taglio su tubo a parete sottile, utilizzando un laser con lunghezza d’onda di 343 nm e con durate degli impulsi nell’ordine dei picosecondi [20]. Le analisi effettuate hanno dimostrato come sia stata ottenuta una superficie di taglio estremamente pulita da materiale ridepositato, grazie alla combinazione tra una ridotta lunghezza d’onda e durate degli impulsi brevi. Misure di nanodurezza hanno messo in evidenza come l’estensione della zona termicamente alterata sia inferiore a 15 mm mentre il materiale rifuso ha mostrato un aumento di durezza valutato di circa 6.5 GPa rispetto al valore del materiale di partenza (3.5 GPa). Si osserva come l’aumento di durezza nel materiale ridepositato valga sempre circa 2-3 volte la durezza del materiale di partenza, mentre l’estensione della zona termicamente alterata è fortemente dipendente dalle condizioni operative di processo, e in particolare dalla durata degli impulsi. Ciò significa che la superficie del solco di taglio è sempre più dura e quindi problematica per le applicazioni in cui l’elemento SMA deve essere sottoposto a deformazioni importanti.

Alcuni esempi applicativi
Infine, dal punto di vista più applicativo, la letteratura offre alcuni esempi di applicazioni di elementi in Nickel-Titanio tagliati mediante fascio laser e ne discute le prestazioni. Come già anticipato, il tema degli attuatori SMA è uno dei maggiormente discussi. Rohde et al. hanno studiato la risposta temporale di attuatori [21], che sfruttano l’effetto a memoria di forma per generare movimento e quindi produrre lavoro meccanico. La flessibilità del processo di taglio laser garantisce una grande libertà nel progettare e realizzare forme e geometrie differenti; inoltre, un vantaggio non trascurabile della tecnologia laser nella realizzazione di tali dispositivi ricade nel grado di miniaturizzazione degli attuatori SMA. Più il componente SMA è ridotto, maggiori saranno le sue prestazioni in termini di velocità di risposta, in quanto l’effetto di memoria di forma avviene prevalentemente attraverso un riscaldamento, e quindi per conduzione di calore. Il conseguente raffreddamento, obbligato per garantire la ripresa dalla condizione operativa iniziale, è quindi reso più rapido quando la massa del dispositivi è contenuta. Alcuni autori hanno invece dimostrato come si possano realizzare attuatori per dispositivi nel campo medicale [22-23]; in un altro lavoro di Biffi et al., è stato studiato l’effetto del taglio laser e della pulizia chimica sulle proprietà termo-meccaniche di elementi sagomati, che possono essere utilizzati come micro-attuatori [24]. Si osserva come la flessibilità della tecnologia laser possa portare alla realizzazione di elementi con risposte funzionali differenti, da utilizzare in funzione del requisito di attuazione. È stato stimato che tali elementi siano in grado di movimentare masse maggiori di 3-4 ordini di grandezza rispetto alla loro peso, sotto condizioni di allungamento lineare di circa 25% della loro lunghezza iniziale. L’ultima applicazione presa in esame riguarda la possibilità di realizzare un materiale composito in fibra di vetro, in cui sono state inserite delle lamine in lega Nickel-Titanio-Rame a memoria di forma [25]. Tale composito risulta quindi caratterizzato da una elevata leggerezza, grazie alla fibra di vetro, e da una elevata capacità di soppressione di vibrazioni di natura meccanica, grazie alla presenza della lamina SMA. Tali lamine, per poter garantire il loro ancoraggio all’interno della matrice in fibra, sono state tagliate mediante laser in fibra ai nanosecondi per realizzare delle tasche passanti, come mostrato in Figura 4. Il taglio laser appare poco influente sulle proprietà di smorzamento di vibrazioni, nonostante la lavorazione porti ad una danneggiamento termico del materiale.

Conclusioni
In questo lavoro è stata proposta una revisione della letteratura inerente al processo di taglio laser di Nickel-Titanio a memoria di forma. Sono stati presi in considerazione i principali lavori riguardanti lo studio dell’effetto di differenti sorgenti laser e di diversi ordini di grandezza delle durate degli impulsi. Inoltre, è stato discusso l’effetto degli altri parametri di processo, sottolineando il loro legame sia alle caratteristiche dimensionali e morfologiche del solco di taglio sia alle caratteristiche microstrutturali e di prestazione di questi materiali funzionali. È stata dunque offerta una panoramica legata alle possibilità di lavorazione con fascio laser di leghe a memoria di forma, riportando anche delle indicazioni relative alle applicazioni finali.  

Ringraziamenti
Gli autori desiderano ringraziare l’ingegner Samuele Ruella per la collaborazione a riguardo del tema trattato.

QUALIFICA AUTORI
C. A. Biffi, A. Tuissi - Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR, Istituto per l’Energetica e le Interfasi, Corso Promessi Sposi, 29 Lecco (Italia).

Review on laser machining of shape memory Nickel-Titanium alloys: laser cutting
Thanks to the unique functional properties of shape memory alloys, especially of Nickel- Titanium shape memory alloys, chep removal machining of these materials presents several problems. In fact, changing their state in function of temperature or force applied, traditional machining can not realize features with the required precisions and tolerances. On the contrary, unconventional machining, characterized by small beam size and high energetical density, are able to offer better performances than traditional ones do. Among unconventional processes, nowadays the laser technology is applied in the machining of shape memory alloys, as it can link the high irradiance and the small beam size with limited thermal damages. In this panorama, the current work is based on a scientific review of the most important laser processes, cutting and micro-cutting, performed on Nickel- Titanium shape memory alloys. The main results are detailed, showing high precision and quality obtained not only for the material machining but even for their application in some industrial sectors, such as the biomedical and the actuator ones. 

Bibliografia
[1] Otsuka K, Wayman CM.: «Shape Memory Materials».  Cambridge University Press, 1998.
[2] Weinert K, Petzoldt V: «Machining of NiTi based shape memory alloys». Materials Science and Engineering A, 378 (2004) 180 184.
[3] Donohue B.: «Developing a Good Memory - Nitinol Shape Memory Alloy». Today’s Machining World (2009)  42-48.
[4] Manjaiah M., Narendranath S., Basavarajappa S.: «Review on non-conventional machining of shape memory alloys». Trans. Nonferrous Met. Soc. China 24(2014) 12-21.
[5] Capello E.: «Le lavorazioni industriali mediante laser di potenza. La tecnologia, le applicazioni e i sistemi»  Maggioli Editore, 2009.
[6] Meijer J, Du K, Gillner A, Hoffmann D, Kovalenko V.S., Masuzawa T., Ostendorf A., Poprawe R., Schulz W. : «Laser machining by short and ultrashort pulses, state of the art and new opportunities in the age of the photons» CIRP Annals - Manufacturing Technology, 51-2 (2002) 531 550.
[7] Shuessler A.: «Laser processing of Nititol material» SMST 2000, Proceedings of the International Conference on Shape memory and Superelastic Technologies.
[8] Bahnish R., Grob W., Staud J., Menschig A.: «Femtosecond laser-based technology for fast development of micromechanical devices» Sensor and Actuators A, Physical, 74, 1-3, 31-34.
[9] Lin H.C., Lin K.M., Chen Y.C.: «The laser machining characteristics of TiNi shape memory alloys» High Temp. Material Processes 3 (1999) 409-420.
[10] Pfeifer R. , Herzog D., Hustedt M., Barcikowski S.: «Pulsed Nd-YAG laser cutting of NiTi shape memory alloys Influence of process parameters» Journal of Materials Processing Technology 210 (2010) 1918 1925.
[11] Nespoli A., Biffi C. A., Previtali B., Villa E., Tuissi  A.: «Laser and surface processes of NiTi shape memory elements for micro-actuation» Metallurgical and Materials Transactions A 45 (2014) 2242-2249.
[12] Biffi CA, Bassani P, Carnevale M, Lecis N, Loconte A, Previtali B, Tuissi A: «Effect of Laser Microcutting on Thermo-Mechanical Properties of NiTiCu Shape Memory Alloy» Metals and Materials International 20-1 (2014) 83-92.
[13] Previtali B., Arnaboldi S., Bassani P., Biffi C.A., Lecis N., Tuissi A., Carnevale M., LoConte A.: «Microcutting of NiTiCu alloy with pulsed fiber laser» ESDA2010-24943, 10th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis, Esda 2010, July 12-14, 2010, Istanbul, Turkey.
[14] Zheng H.Y., Zareena A.R., Huang H.: «Femtosecond Laser Processing of Nitinol» Materials Science Forum 277 (2003) 437-438.
[15] Huang H., Zheng H.Y., Lim G.C.: «Femtosecond laser machining characteristics of Nitinol» Applied Surface Science 288 (2004) 201-206.
[16] Li G., Nikumb S., Wong F.: «An optimal process of femtosecond laser cutting of NiTi shape memory alloy for fabrication of miniature devices» Optics and lasers in engineering 44-10 (2006) 1078-1087.
[17]    Chia-Hung Hung C.-H., Chang T.-L., Huang K.-W., Lian P.-C.: «Micromachining NiTi tubes for use in medical devices by using a femtosecond laser» Optics and Lasers in Engineering 66 (2015) 34–40.
[18] Muhammad N. , Li L.: «Underwater femtosecond laser micromachining of thin nitinol tubes for medical coronary stent manufacture» Applied Physics A 107 (2012) 849-861.
[19] Yung K. C., Zhu H.H., Yue T. M.: «Theoretical and experimental study on the kerf profile of the laser micro-cutting NiTi shape memory alloy using 355 nm Nd:Yag» Smart materials and structure 14-2 (2005) 337-342.
[20] Muhammad N., Whitehead D., Boor A., Oppenlander W., Liu Z., Li L.: «Picosecond laser micromachining of nitinol and platinum-iridium alloy for coronary stent applications» Applied Physics A 106 (2012) 607-617.
[21] Rohde M., Schussler A.: «On the response-time behavior of laser micromachinined NiTi shape memory actuators» Sensors and Actuators A 61 (1997) 463-468.
[22] Tung A.T., Park B.H., Niemeyer G., Liang D.H.: «Laser-machined shape memory actuators for active catheters» Asme Transactions on Mechatronics 12-4 (2007) 439-446.
[23] Haga Y., Muyari Y., Goto S., Matsunaga T., Esaghi M.: «Development of Minimally Invasive Medical Tools Using Laser Processing on Cylindrical Substrates» Electrical Engineering in Japan, Vol. 176, No. 1, 2011. Translated from Denki Gakkai Ronbunshi, Vol. 128-E, No. 10, October 2008, pp. 402-409.
[24] Biffi C.A., Bonacina L., Nespoli A., Previtali B., Tuissi A.: «On the thermo-mechanical behaviour of NiTi shape memory elements for potential smart micro-actuation applications» Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Special Issue Smasis 2013, DOI: 10.1177/1045389X14566521.
[25] Arnaboldi S., Bassani P., Biffi C.A., Tuissi A., Carnevale M., Lecis N., LoConte A., Previtali B.: «Simulated and Experimental Damping Properties of a SMA/Fiber Glass Laminated Composite» Journal of Materials Engineering and Performance, 2011, DOI: 10.1007/s11665-011-9887-2.

Lascia un commento

Torna in alto

Mercato

Comunicazione tecnica per l'industria