Как материаловедение продвигает будущее производства

Материаловедение, незаменимая межотраслевая дисциплина для развития проектирования и производства продукции, является областью, определяемой инновациями и творческим мышлением.

Основное внимание уделяется тому, как материалы ведут себя на всех уровнях, в том числе тому, как микроструктуры и расположение отдельных атомов и молекул могут существенно влиять на поведение материала – и как можно манипулировать структурой, чтобы повлиять на желаемые характеристики.

Находясь на стыке инженерного дела, физики и химии, материаловедение является первостепенным фактором при разработке новых продуктов, что часто приводит к получению сложных и уникальных свойств.

Материаловедение глубоко изучает взаимосвязь между физическими и химическими знаниями и то, как различные материалы – от металлов и полимеров до композитов и наноматериалов – могут быть спроектированы для достижения более высоких характеристик.

Это может включать в себя коммерчески выгодные преимущества, такие как более эффективные производственные процессы, продление срока службы деталей и сокращение объема технического обслуживания, а также более фундаментальные социальные выгоды, такие как улучшение результатов в здравоохранении, а также повышение энергетической и экологической устойчивости, что позволит добиться высоких результатов в спорте и аэрокосмических технологиях.

Влияние на микроструктуру материала может привести к некоторым замечательным свойствам, в том числе к гибкости материала, а также к тому, насколько сильно материал можно растянуть или согнуть.

Это также может повлиять на твердость материала, делая его более устойчивым к коррозии или на его способность проводить электричество или тепло.

Прекрасным примером, о котором мы поговорим позже, являются сплавы с памятью формы – металлы, которые можно сгибать и возвращать их первоначальную форму путем применения тепла.

Аддитивное производство, которое когда-то считалось предназначенным в основном для прототипирования, все чаще используется при разработке запасных частей, мелкосерийном производстве и оснастке в перспективных отраслях обрабатывающей промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность, электроника, автомобилестроение и медицинское оборудование.

Среди отраслей, находящихся на переднем крае инновационного производства, медицинский сектор стал основным сегментом, способствующим росту аддитивного производства.

Сплавляя металлические порошки слой за слоем, используя несколько различных методов спекания или лазера, аддитивное производство может создавать сложные компоненты, которые обычно были бы очень сложными – если не невозможными – с помощью более традиционных методов субтрактивного производства.

Преимущества аддитивного производства включают большую свободу проектирования и настройки, повышенную прочность и функциональность продукта, сокращение времени сборки сложных компонентов, локализованное производство, быстрый выход на рынок, сокращение потерь, снижение устаревания, снижение зависимости от традиционных поставщиков и даже создание новые материалы с уникальными механическими и поведенческими свойствами.

Большинство деталей, изготовленных аддитивным способом, изготавливаются из сплавов – как традиционных, так и новых. Однако таким образом производится очень мало деталей из сплавов, которые имеют такое же качество или сохраняют те же механические свойства, что и аналогичные сплавы при изготовлении с помощью обычного процесса, такого как ковка.

Их поведение не реагирует аналогичным образом, в основном из-за быстрого плавления и затвердевания, которым они подвергаются в процессе аддитивного производства.

Поскольку индустрия аддитивного производства столкнулась с проблемой сохранения или даже улучшения характеристик металлических сплавов, она обратилась к материаловедению и инженерии, чтобы обеспечить разработку деталей из сплавов с превосходными механическими свойствами.

Обнаруженный более 50 лет назад нитинол (NiTi) представляет собой особенно ценный металлический сплав, который произвел революцию во многих отраслях промышленности.

Изготовленный из 50% атомарного никеля и 50% атомарного титана, он обладает уникальными свойствами, обеспечивающими его сверхэластичность и «эффект памяти формы», то есть он может менять форму в зависимости от температуры. Благодаря этому особому поведению нитинол в настоящее время все чаще используется в медицинской, стоматологической и аэрокосмической промышленности.

Нитинол является отличным материалом для создания компонентов малоинвазивных медицинских устройств, таких как проводники, катетеры и стенты. Когда медицинским работникам приходится перемещаться в особенно труднодоступных местах, нитинол обладает как гибкостью, позволяющей изменять форму по мере необходимости, так и прочностью, позволяющей выдерживать большие нагрузки.