¿Qué son las aleaciones con memoria de forma? Una guía sobre sus propiedades y aplicaciones

SMA significa aleaciones con memoria de forma, que son materiales inteligentes que pueden recordar su forma y cambiar según el calor. Este artículo de los autores informará a los lectores sobre qué son las SMA, cómo funcionan, algunos materiales comunes como el nitinol y sus aplicaciones en el sector aeroespacial, robótica, la medicina, etc., el trabajo con ellos, los retos y las líneas de investigación en curso.

La magia de las aleaciones con memoria de forma: Materiales que recuerdan su forma

Los SMA, o aleaciones con memoria de forma, son metales especiales que tienden a cambiar su forma en respuesta a un cambio de temperatura. Los átomos de las SMA tienden a alinearse en dos estructuras cristalinas diferentes.

Estructura atómica

Los SMA están formados por átomos realmente diminutos que encajan entre sí en patrones denominados estructuras cristalinas. A una temperatura, los átomos prefieren encajar muy juntos en una estructura apretada llamada martensita. A una temperatura más alta, se dispersan en una estructura abierta llamada austenita. Poder alternar entre estas disposiciones atómicas es lo que confiere a las SMA sus aleaciones especiales con memoria de forma.

Cambiar de forma con el calor

Si un SMA se dobla de forma mientras está en su estructura de martensita, recordará esa nueva forma. Pero cuando se calienta por encima de cierto punto, se transforma a su estructura de austenita y vuelve a su forma original, sin doblar. Esto se denomina efecto de memoria de forma. Por ejemplo, un alambre SMA puede doblarse pero volver a enderezarse al calentarlo con agua caliente.

Quedarse atascado en una forma doblada

Algunos SMA presentan otro efecto en frío denominado superelasticidad o pseudoelasticidad. Si se doblan más allá de un punto en frío, sus átomos cambian bruscamente a la estructura de martensita para adaptarse a la nueva forma sin romperse. Pero cuando se vuelven a doblar, se transforman suavemente de nuevo en austenita sin necesidad de calor. Es como si el metal se quedara atrapado en las aleaciones con memoria de forma dobladas hasta que se desdoblan.

Cómo ayuda el nitinol al organismo

El nitinol es un Imprimir metal en 3D que pueden tener memoria de su forma. Los médicos utilizan el nitinol en el cuerpo humano por su tipo de memoria conocida como aleaciones con memoria de forma del metal. Ayuda a solucionar problemas y a administrar medicamentos.

Abrir la parte estenótica de la arteria

A veces los depósitos de grasa se acumulan en el interior de las arterias y bloquean el flujo sanguíneoEsto se denomina obstrucción. Los médicos insertan unos tubos de malla diminutos llamados stents para empujar las arterias obstruidas y abrirlas. Los stents están hechos de nitinol. Se hacen pequeños y se introducen en las arterias mediante un tubo fino y flexible llamado catéter. Una vez colocado, el stent se calienta con el calor corporal y se abre hasta recuperar su forma desobstruida, manteniendo las arterias bien abiertas para que fluya la sangre.

Las prótesis articulares alivian el dolor

Otra aplicación es el uso del nitinol para sustituir partes de una articulación que se ha desgastado, como la rodilla o la cadera.Las prótesis articulares permiten un movimiento suave. Los implantes de nitinol son flexibles, por lo que se mueven como los huesos de verdad. Se moldean para adaptarse al cuerpo durante la cirugía y luego recuerdan esa forma. Esto ayuda a que los implantes duren mucho tiempo sin desgastarse.

Medicina a tiempo

Los médicos están fabricando diminutos recipientes de nitinol para transportar medicamentos dentro del cuerpo. El medicamento se almacena en su interior hasta que llega el momento de liberar una dosis. Los recipientes están diseñados para abrirse a una temperatura determinada que se encuentra en una parte del cuerpo. Esto ayuda a administrar la cantidad justa de medicamento en el momento adecuado sin necesidad de cirugía para sustituir el recipiente. Las aleaciones con memoria de forma del nitinol se programan con precisión para ayudar a curar enfermedades.

Alas de nitinol que cambian de forma

Los ingenieros utilizan el nitinol en alas y piezas de aviones porque puede cambiar de forma por sí mismo. El nitinol "recuerda" dos formas: cómo es recto y cómo es doblado. Esto ayuda a que los aviones vuelen mejor con distintas condiciones meteorológicas.

Alas que se adaptan al viento

Los ingenieros aeroespaciales están fabricando alas de avión especiales con nitinol. Estas alas pueden ajustar sus aleaciones con memoria de forma durante el vuelo gracias a unos diminutos alambres de nitinol que llevan en su interior. Cuando el viento sopla con fuerza, los alambres se calientan por la fricción con el aire. Entonces el nitinol "sabe" que debe doblar un poco el ala. Esto mantiene las alas con la forma adecuada para que el aire fluya suavemente sobre ellas. Permite que los aviones vuelen con fuerza sin temblar incluso en las tormentas.

Aletas que se mueven solas

Los alerones de los aviones normales son movidos por personas o motores. Pero los flaps de nitinol pueden cambiar de ángulo por sí mismos. Los ingenieros fabrican los alerones con nitinol. Durante el despegue y el aterrizaje, los alerones necesitan inclinarse hacia abajo para ayudar a los aviones a frenar o acelerar. Los alambres de nitinol de los alerones detectan los cambios de temperatura que se producen al volar rápido o despacio. Tiran automáticamente de los alerones hacia abajo hasta su posición sin necesidad de motores. Esto ahorra combustible y hace que el vuelo sea más eficiente.

De boquillas a soportes - Piezas que cambian de forma

Muchas pequeñas piezas accionadas en aviones y cohetes utilizan nitinol. Algunos ejemplos son las toberas de los motores de cohetes que cambian su área de salida para distintas velocidades. Las bisagras de nitinol permiten que los soportes móviles se bloqueen en su sitio sin tornillos. Gracias a sus aleaciones con memoria de forma, el nitinol ayuda a aeroespacial Los componentes cambian de forma justo cuando es necesario para que los vuelos sean más seguros y suaves.

Robots que se mueven con memoria de forma

Los ingenieros utilizan aleaciones con memoria de forma o SMA para hacer que los robots se muevan por sí solos sin baterías ni cableado. Las SMA "recuerdan" dos formas y pueden cambiar entre ellas gracias a los cambios de temperatura. Esta propiedad especial les permite actuar como músculos para sistemas robóticos.

Los actuadores de SMA impulsan el movimiento robótico

Muchos robots utilizan cables o tiras de SMA como actuadores autónomos. Cuando se aplica tensión o agua caliente, el SMA "recuerda" doblarse o estirarse. Este movimiento permite que las articulaciones de los robots oscilen, que las pinzas se abran y cierren, y mucho más. Por ejemplo, una mano robótica tiene actuadores de SMA en cada dedo que la curvan hasta colocarla en posición de agarre. Los robots teledirigidos bajo el agua o en el espacio también pueden utilizar actuadores de SMA sin electrónica.

Diseño de robots "blandos" más parecidos a la vida

Con los SMA, los robots pueden tener cuerpos más flexibles y ligeros, similares a los de los animales o los humanos. Los ingenieros fabrican robots "blandos" con hilos de SMA recubiertos de silicona incrustados en tubos o láminas flexibles. Cuando se calientan, los SMA se contraen localmente para iniciar movimientos complejos como retorcerse, doblarse o agarrar sin componentes rígidos. Estos robots blandos podrían ayudar algún día en misiones de rescate o en procedimientos médicos al desplazarse por entornos inusuales.

El efecto de las aleaciones con memoria de forma de los SMA les permite impulsar un movimiento robótico realista. Esto abre nuevas posibilidades para la automatización en tierra, mar, aire, espacio e incluso dentro del cuerpo humano.

Utilización de la memoria de forma para la seguridad en la construcción

Los ingenieros civiles emplean aleaciones con memoria de forma en las estructuras para ayudar a resistir terremotos, controlar el desgaste de las infraestructuras y mucho más. Las SMA "recuerdan" su forma y cambian con el calor, lo que beneficia a la construcción.

Amortiguadores que amortiguan los seísmos

Los SMA ayudan a proteger los edificios contra los terremotos. Los ingenieros instalan amortiguadores accionados por SMA en los edificios, entre los suelos y los cimientos. Durante los temblores, los suelos y los cimientos vibran a frecuencias diferentes. Normalmente, esto provoca daños con el tiempo. Pero los amortiguadores SMA detectan las vibraciones. Se contraen para absorber y disipar la energía de las sacudidas. Esto amortigua la estructura de las tensiones del temblor sin necesidad de energía adicional.

Comprobación de la fatiga del metal

Las bobinas de hilo de SMA pueden evaluar la fatiga en puentes, túneles y otras infraestructuras. Las bobinas colocadas en lugares metálicos críticos se contraen lentamente a lo largo de muchos ciclos de carga. Los ingenieros comprueban las bobinas con regularidad. Si una bobina se ha contraído más de lo esperado, señala cerca fabricación de chapa metálica puede estar debilitándose por las tensiones de la carga repetitiva antes de lo previsto. Esto provoca una inspección más minuciosa antes de que se produzca el fallo.

Detección de deformaciones tras catástrofes

Tras terremotos o inundaciones, los sensores envueltos en SMA colocados en las grietas de carreteras y edificios permiten a las autoridades realizar un seguimiento a distancia de cualquier ensanchamiento. Si las grietas aumentan de tamaño con el tiempo, demuestra que existe más inestabilidad que requiere reparaciones costosas. Los pequeños sensores de SMA ayudan a priorizar las necesidades de reconstrucción más urgentes sin necesidad de realizar tediosas mediciones in situ.

Retos de trabajar con aleaciones con memoria de forma

Aunque los AME presentan increíbles propiedades de adaptación, para aprovechar todo su potencial es necesario abordar los retos que plantea su durabilidad, termodinámica, y la producción.

Los SMA sufren tensiones cada vez que pasan de una estructura atómica a otra. Esta fatiga puede causar debilitamiento o degradación a lo largo de muchos ciclos continuos. Mejorar la vida útil sigue siendo importante.

El efecto de las aleaciones con memoria de forma también depende precisamente de los mecanismos de calentamiento y enfriamiento. Una gestión térmica cuidadosa garantiza que las SMA alcancen las temperaturas necesarias de manera uniforme para un rendimiento constante. Las condiciones del mundo real pueden influir en el control térmico.

Producir SMA con formas geométricas exactas y complejas para diferentes funciones mecánicas exige métodos de fabricación meticulosos y a menudo costosos. Los ingenieros investigan nuevas técnicas para configurar de forma rentable las propiedades de los SMA.

En conclusión, las aleaciones con memoria de forma muestran una notable naturaleza adaptativa que permite diversas aplicaciones. La investigación continua trata de abordar los retos y avanzar en las posibilidades de estos materiales "inteligentes". Las aplicaciones futuras seguirán dependiendo de lo bien que las AME satisfagan las necesidades cambiantes gracias a su memoria de forma intrínseca.

Conclusión

En conclusión, las aleaciones con memoria de forma demuestran unas propiedades realmente únicas que han desencadenado inmensas aplicaciones innovadoras en diversos campos. Su capacidad para "recordar" automáticamente y cambiar de forma en respuesta a la temperatura ofrece una utilidad distinta a la de los materiales convencionales. Las SMA han permitido mejorar los dispositivos médicos, aumentar la fiabilidad de la tecnología robótica y de automatización, mejorar las soluciones estructurales de la ingeniería aeroespacial y civil, y mucho más.

Sin embargo, aprovechar plenamente sus capacidades de adaptación requiere un trabajo continuo para resolver los retos. Los investigadores de todo el mundo siguen esforzándose por comprender mejor los comportamientos de los materiales de las aleaciones con memoria de forma, perfeccionar los procesos de fabricación, mejorar el rendimiento mecánico y la durabilidad, y avanzar en los métodos de control térmico y transferencia de energía precisos. Abordar estas áreas ayudará a ampliar los límites de lo que es posible con la tecnología de SMA "inteligente". El futuro sigue siendo brillante gracias a la ampliación de los conocimientos sobre estos notables materiales de aleación y su potencial para potenciar aplicaciones aún más impactantes y que cambien vidas.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cómo cambian de forma los AME?

El SMA más utilizado se conoce como nitinol y pertenece a la categoría del níquel-titanio. Otros materiales de SMA son las aleaciones de cobre-zinc-aluminio y hierro-manganeso-silicio.

P: ¿Cuáles son las aplicaciones de los SMA?

Utilizamos los SMA en aplicaciones como endoprótesis biomédicas, alineadores de ortodoncia, implantes vasculares, actuadores de aeronaves, cierres activados por calor, materiales autorreparables y articulaciones y pinzas robóticas.

P: ¿Cuáles son los retos de trabajar con AME?

Algunos retos son la fatiga por ciclos de carga repetidos, el control preciso de los índices de calentamiento/enfriamiento, las complejas técnicas de fabricación y las salidas limitadas de fuerza/par.