Quelle est la prochaine étape pour le nitinol

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Avec son extrême flexibilité et sa résistance aux dommages, l'alliage métallique, le nitinol, est devenu une ressource essentielle dans la fabrication de dispositifs médicaux et d'autres industries de pointe. Cependant, jusqu'à récemment, les fabricants de produits en nitinol ont été confrontés à des défis car l'alliage peut être difficile à usiner et la conception des produits a été limitée à des structures simples. Pierre Forêt, directeur associé, fabrication additive chez Linde Gases, examine comment les dernières technologies de fabrication additive permettent une plus grande liberté de conception et une productivité améliorée.

Découvert il y a plus de 50 ans, le nitinol (NiTi) est un alliage métallique particulièrement précieux qui a révolutionné de nombreuses industries. Composé à 50% de nickel atomique et à 50% de titane atomique, il possède des propriétés uniques, permettant sa superélasticité et son "effet de mémoire de forme" - ce qui signifie qu'il peut changer de forme en fonction de la température. Ce comportement particulier voit maintenant le nitinol de plus en plus utilisé dans les industries médicales et dentaires et dans l'aérospatiale pour les panneaux solaires.

Le nitinol est un excellent matériau à utiliser lors de la création de composants pour des dispositifs médicaux peu invasifs, tels que des fils de guidage, des cathéters et des stents. Lorsque les professionnels de la santé doivent naviguer dans des zones particulièrement étroites, le nitinol a à la fois la flexibilité de changer de forme selon les besoins et la durabilité pour supporter de fortes contraintes.

Les stents utilisés pour maintenir les artères ouvertes sont peut-être l'exemple le plus clair de la raison pour laquelle la superélasticité et l'effet de mémoire de forme du nitinol sont si bénéfiques. Lorsque les stents sont insérés dans le corps, ils peuvent être compressés jusqu'à une taille minuscule pour être utilisés dans des procédures peu invasives. Cependant, lorsqu'ils sont placés au bon endroit dans l'artère, ils se dilatent pour remplir l'espace nécessaire et renforcer la paroi artérielle intérieure, une procédure qui ne pourrait pas être réalisée avec de l'acier inoxydable.

Dans les procédures orthopédiques, les chirurgiens ont besoin de composants qui aideront les patients à retrouver flexibilité et amplitude de mouvement, ainsi qu'à s'adapter facilement aux tissus de chaque patient. Le nitinol est le matériau préféré pour ces composants, car il imite le comportement mécanique de l'os. Les orthodontistes ont également besoin de fils et de brackets qui maintiennent les appareils orthodontiques ensemble et remplissent la fonction de déplacement des dents, de sorte que la mémoire de forme du nitinol est particulièrement utile avec les applications d'arcs.

Cubes NiTi imprimés sous environ 1000 ppm O2 dans l'atmosphère.

Malgré tous ses avantages, le développement de composants en nitinol peut présenter des défis. L'alliage peut être difficile à usiner, de sorte que la conception des produits a généralement été limitée à des structures simples. Ces difficultés comprennent une ténacité élevée, une ductilité élevée et un écrouissage dans les processus de coupe. Ainsi, l'usinage traditionnel entraîne une usure excessive de l'outil, des forces de coupe élevées et une dégradation de la surface, aboutissant souvent à une pièce de faible qualité avec une rupture de copeaux et une formation de bavures inférieures.

Et bien que la fabrication additive par fusion de poudre sur lit laser (LBPF) puisse offrir une plus grande efficacité de production et une plus grande liberté de conception, il reste encore des problèmes à surmonter lors de l'impression avec du nitinol.

La vaporisation du nickel pendant le processus activé par laser peut entraîner une diminution du rapport nickel / titane, augmentant ainsi la température de transformation. De plus, l'absorption d'oxygène à l'intérieur du matériau peut également affecter la température de transformation, avoir un impact négatif sur la mémoire de forme et affecter les performances globales de l'application prévue. L'oxydation de surface peut également être un problème, ce qui signifie que la pièce nécessite un nettoyage post-production important. Pour éviter ces deux problèmes, il est essentiel de réduire la quantité d'oxygène dans la chambre d'impression.

Alors que la fabrication additive peut optimiser la production de dispositifs médicaux, garantissant une répétabilité de haute qualité du processus et nécessitant moins de finitions post-impression, l'atmosphère dans la chambre d'impression doit être optimale et reproductible.

Bien que l'atmosphère dans la chambre soit purgée avec de l'argon de haute pureté pour la débarrasser de l'oxygène, des impuretés restent présentes en raison d'une purge incomplète et de petites fuites. Même des variations extrêmement faibles de la teneur en oxygène peuvent altérer les propriétés mécaniques ou chimiques des métaux et alliages sensibles à l'oxygène - y compris le nitinol - et peuvent affecter la composition du produit final, entraînant des caractéristiques physiques négatives telles qu'une décoloration et même une faible résistance à la fatigue. En règle générale, après la purge, le niveau d'oxygène résiduel est d'environ 1 000 ppm, loin de l'idéal de moins de 10 ppm.

Linde a consacré ces dernières années à développer une technologie pionnière pour surmonter ces impuretés atmosphériques afin d'offrir aux fabricants des conditions d'impression optimales. Le résultat - la précision ADDvance® O2 - fournit une analyse continue de l'atmosphère gazeuse, détectant les niveaux d'oxygène avec une grande précision sans sensibilité croisée. Reconnaissant des concentrations d'O2 aussi faibles que 10 parties par million (ppm), l'unité lance automatiquement un processus de purge pour maintenir l'atmosphère aussi pure que nécessaire.

Précision ADDvance® O2 - fournit une analyse continue de l'atmosphère gazeuse, détectant les niveaux d'oxygène avec une grande précision sans sensibilité croisée

La technologie est déjà utilisée dans des entreprises de fabrication de dispositifs médicaux à l'avant-garde de la fabrication additive, notamment 3D Medlab, une division du groupe Marle, en France. C'est avec la collaboration de 3D Medlab que Linde a développé une solution pour fournir un contrôle rigoureux des niveaux d'oxygène pour la production de composants en nitinol à l'aide du système de surveillance de l'oxygène de précision ADDvance O2 et du mélange de gaz de procédé ADDvance® Laser230.

ADDvance Laser230 est un mélange de gaz sur mesure développé spécifiquement pour optimiser les résultats d'impression dans les processus LPBF. Combinant l'argon et l'hélium, le mélange de gaz de procédé réduira la redéposition des particules jusqu'à 30 % et la perte de poudre jusqu'à 20 %. Il permet également d'économiser sur le temps de maintenance, avec moins de changements de filtres nécessaires. De plus, il atténue la formation de fumée et accélère les temps d'impression, ce qui rend le processus d'impression plus sûr et réduit le coût par pièce. Il est indépendant des alliages et idéal pour la fabrication additive de structures en treillis.

Avec de telles avancées dans les technologies de fabrication additive, le nitinol permettra non seulement de rendre les futures procédures médicales moins invasives, mais il ouvrira également des possibilités de fabrication de produits et de composants de pointe qui étaient auparavant hors de portée.

Linde participeà Additive Manufacturing Strategies, qui aura lieu à New York du 7 au 9 février 2023. Pierre Forêt, directeur R&D Additive Manufacturing, Linde GmbH, présentera la session 3, Talk 2 : Trends in Manufacturing AM Metals, le 7 février. pour votre billet pour assister ici.

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