板金加工

形状記憶合金とは？その特性と応用例

12月 25, 2024

SMAは形状記憶合金の略で、形状を記憶し、熱によって変化するスマート材料です。この記事では、SMAとは何か、どのように機能するのか、ニチノールのような一般的な材料、航空宇宙分野での応用について紹介します、ロボティクスまた、医学や医療などとの連携、課題、現在進行中の研究の方向性など。

形状記憶合金の魔法：形状を記憶する材料

SMA（形状記憶合金）とは、温度の変化に反応して形状が変化しやすい特殊な金属のことです。SMAの原子は2つの異なる結晶構造に並ぶ傾向があります。

原子構造

SMAは、結晶構造と呼ばれるパターンに組み合わされた本当に小さな原子で構成されています。ある温度では、原子はマルテンサイトと呼ばれるしぼんだ構造で互いに密着することを好みます。より高い温度では、原子はオーステナイトと呼ばれる開放構造に広がります。このような原子の配置を切り替えられることが、SMAに特殊な形状記憶合金を与えているのです。

熱で形を変える

SMAがマルテンサイト組織で曲げられた場合、その新しい形状を記憶します。しかし、ある一定の温度以上に加熱されると、オーステナイト構造に変化し、曲げられていない元の形状に戻ります。これを形状記憶効果と呼びます。例えば、SMAワイヤーは曲げても、お湯で温めるとまたまっすぐになります。

曲がった形から抜け出せない

SMAの中には、超弾性または擬弾性と呼ばれる別の冷却効果を示すものがあります。冷間時にある一点を越えて曲げられると、原子は突然マルテンサイト構造に移行し、破壊することなく新しい形状に対応します。しかし、曲げを解くと、熱を加えなくてもスムーズにオーステナイトに戻ります。金属は曲げられるまで、曲げられた形状記憶合金の中に留まっているようなものです。

ニチノールの身体への貢献

ニチノールはユニークな素材です。 3Dプリント金属形状を記憶することができるもの。ニチノールは形状記憶合金と呼ばれる金属の一種で、医師が人体に使用しています。ニチノールは問題を解決し、薬を投与するのに役立ちます。

動脈の狭窄部分を開きます。

動脈内に脂肪が蓄積して血液の流れが滞ることがあり、これを閉塞といいます。医師は詰まった動脈を押し広げるためにステントと呼ばれる小さな網状の管を挿入します。ステントはニチノール製です。カテーテルと呼ばれる細いフレキシブルなチューブを使って、ステントを小さく絞って動脈に留置します。ステントは体温で温められ、詰まっていない状態まで飛び出すので、動脈は血液が流れるように大きく開かれた状態に保たれます。

関節置換術による痛みの緩和

もう一つの用途は、ニチノールを使って、膝や股関節のようなすり減った関節の一部を置き換えることです。ニチノール製インプラントは曲がるので、本物の骨のように動きます。ニチノール製インプラントは、手術中に体にフィットするように形成され、その形を記憶します。そのため、インプラントはすり減ることなく長持ちします。

メディシン・オン・タイム

医師たちは、ニチノールから薬を体内に運ぶための小さな容器を作っています。薬は、投与量を放出する時が来るまで、中に保管されます。この容器は、体のある部分に見られる特定の温度で開くように設計されています。これにより、容器を取り替える手術をしなくても、適切な量の薬を適切なタイミングで投与することができます。ニチノールの形状記憶合金は、正確なタイミングで病気を治します。

形を変えるニチノール翼

エンジニアがニチノールを飛行機の翼や部品に使っているのは、ニチノールが自分で形を変えられるからです。ニチノールは、まっすぐな形と曲げた形の2つの形を「記憶」します。これによって、飛行機がさまざまな天候でよりよく飛ぶことができるのです。

風に適応する翼

航空宇宙エンジニアは、ニチノールで特別な飛行機の翼を作っています。この翼は、内部にある小さなニチノールワイヤーのおかげで、飛行中に形状記憶合金を調整することができます。風が荒くなると、空気との摩擦でワイヤーが熱くなります。するとニチノールは翼を少し曲げることを「知っている」のです。これにより翼の形状が保たれ、翼の上を空気がスムーズに流れるのです。これにより、嵐の中でも揺れずに力強く飛ぶことができるのです。

勝手に動く翼のフラップ

普通の飛行機の翼のフラップは、人やモーターで動かします。しかし、ニチノールのフラップは自分で角度を変えることができます！エンジニアはニチノールでフラップを作ります。離着陸の際、飛行機が速度を落としたり上げたりするために、フラップは下向きに傾ける必要があります。フラップ内のニチノールワイヤーは、高速飛行や低速飛行による温度変化を感知します。ニチノールワイヤーは、モーターを使わずに自動的にフラップを所定の位置に引き下げます。これにより燃料が節約され、飛行効率が向上します。

ノズルからブラケットまで - 形状変化部品

飛行機やロケットの小さな作動部品の多くにニチノールが使われています。例えば、ロケットエンジンのノズルは、速度に応じて出口面積を変えることができます。ニチノールのヒンジは、可動式ブラケットをネジなしで固定することができます。形状記憶合金を通して、ニチノールは次のような役割を果たしています。航空宇宙より安全でスムーズなフライトのために、コンポーネントは必要な時に形を変えます。

形状記憶で動くロボット

エンジニアは形状記憶合金（SMA）を使って、電池や配線なしでロボットを動かすことができます。SMAは2つの形状を「記憶」し、温度変化によって形状を切り替えることができます。この特殊な特性により、SMAはロボットシステムの筋肉のような役割を果たします。

SMAアクチュエータがロボットの動きを強化

多くのロボットがSMAワイヤーやストリップを自己完結型アクチュエーターとして使用しています。電圧やお湯をかけると、SMAは曲げたり伸ばしたりすることを「記憶」します。この動きにより、ロボットの関節のスイングやグリッパーの開閉などが可能になります。例えば、あるロボットハンドは、各指にSMAアクチュエータを搭載しており、指を丸めて把持することができます。水中や宇宙空間で遠隔操作するロボットも、電子機器を使わずにSMAアクチュエータを使うことができます。

よりリアルな "ソフト "ロボットのデザイン

SMAを使えば、ロボットは動物や人間のような、より柔軟で軽量な体を持つことができます。技術者たちは、柔軟なチューブやシートにシリコンコーティングされたSMAワイヤーを埋め込んだ「柔らかい」ロボットを作ります。熱を加えるとSMAは局所的に収縮し、硬い部品を使わずに、もがいたり、曲げたり、掴んだりといった複雑な動きを始めます。このようなソフトなロボットは、いつの日か、通常とは異なる環境をナビゲートすることで、救助活動や医療処置に役立つかもしれません。

SMAの形状記憶合金の効果により、本物そっくりのロボットの動きが可能になります。これにより、陸、海、空、宇宙、そして人間の体内におけるオートメーションの新たな可能性が広がります。

建物の安全性に形状記憶を利用

土木技師は形状記憶合金を構造物に採用し、地震に耐えたり、インフラの摩耗を監視したりするのに役立てています。SMAは形状を「記憶」し、熱によって変化するため、建設に役立ちます。

地震を和らげるダンパー

建物の耐震補強に役立つSMA。エンジニアは、建物の床と基礎の間にSMAを搭載したダンパーを設置します。地震の際、床と基礎は異なる周波数で振動します。通常、これは時間の経過とともに損傷を引き起こします。しかし、SMAダンパーは振動を感知します。SMAダンパーは収縮し、揺れのエネルギーを吸収・発散します。これにより、余分な力を加えることなく、地震のひずみから構造体を守ります。

金属疲労のチェック

SMAワイヤーコイルは、橋梁、トンネル、その他のインフラストラクチャの疲労を評価することができます。重要な金属部分に配置されたコイルは、何度も負荷サイクルを繰り返すうちにゆっくりと収縮します。エンジニアは定期的にコイルをチェックします。コイルが予想以上に収縮している場合は、近くにある金属板加工は、計画よりも早く、繰り返し負荷応力によって弱くなっている可能性があります。このため、故障が発生する前に精密検査を行う必要があります。

災害後の変形を感知

地震や洪水の後、SMAで包まれたセンサーを道路や建物の亀裂に設置することで、当局は遠隔操作で亀裂の拡大を追跡することができます。ひび割れが時間の経過とともに大きくなれば、高価な補修が必要なほど不安定であることを示します。小型のSMAセンサーは、現地での面倒な計測をすることなく、最も緊急の復興ニーズに優先順位をつけるのに役立ちます。

形状記憶合金の課題

SMAは驚異的な適応性を発揮しますが、その可能性を最大限に引き出すには、耐久性にまつわる課題に対処する必要があります、熱力学、そして生産。

SMAは原子構造間を移行するたびに応力を受けます。この疲労は、何度も繰り返される継続的なサイクルにおいて、弱体化や劣化を引き起こす可能性があります。寿命の改善は依然として重要です。

形状記憶合金の効果は、加熱と冷却のメカニズムにも正確に依存しています。入念な熱管理により、SMAは必要な温度に均一に到達し、安定した性能を発揮します。現実世界の条件は熱制御に影響を与えます。

さまざまな機械的役割のために正確で複雑な幾何学的形状を持つSMAを製造するには、細心の注意が必要で、多くの場合コストのかかる製造方法が要求されます。エンジニアは、SMAの特性をコスト効率よく構成するための新しい技術を研究しています。

結論として、形状記憶合金は多様な応用を可能にする驚くべき適応性を示します。継続的な研究により、この「スマート」材料の課題への取り組みと可能性の前進を目指します。将来の用途は、SMAがその本質的な形状記憶を通して、進化するニーズにどれだけ応えられるかによって形作られます。

結論

結論として、形状記憶合金は実にユニークな特性を発揮し、様々な分野での革新的な応用に大きな火付け役となっています。温度に応じて形状を自動的に「記憶」し変化させるその能力は、従来の材料とは異なる有用性を提供します。SMAは、改良された医療機器、より信頼性の高いロボット工学やオートメーション技術、強化された航空宇宙や土木構造ソリューションなどに力を与えてきました。

しかし、その適応能力を十分に活用するには、課題を解決するための継続的な研究が必要です。世界中の研究者は、形状記憶合金の材料挙動をよりよく理解し、製造プロセスを改良し、機械的性能と耐久性を向上させ、正確な熱制御とエネルギー伝達の方法を進歩させる努力を続けています。このような分野に取り組むことは、「スマート」SMA技術で可能なことの限界を押し広げることにつながります。これらの驚くべき技術に関する知識を広げることで、未来は明るいものとなるでしょう。合金材料そして、さらにインパクトのある、人生を変えるようなアプリケーションに力を与える可能性があります。