Introducción a las Aleaciones con Memoria de Forma: el Nitinol.

   Las aleaciones con memoria de forma o SMA (Shape Memory Alloy), son aleaciones metálicas que, después de una deformación, vuelven a su forma original cuando son sometidas a un calentamiento. Se puede decir que tienen la habilidad de “recordar” o retener la forma que tenían antes de la deformación. Esta habilidad es conocida como efecto memoria de forma y junto con la superelasticidad, son las dos propiedades que caracterizan a estos materiales. El calentamiento de estas aleaciones se puede realizar de diferentes formas: por aire caliente, agua, corriente eléctrica (efecto Joule)…

   Este efecto memoria es debido a un proceso de transformación de fase entre dos estructuras cristalinas, la fase de temperatura más alta conocida como austenita y la de menor temperatura conocida como martensita. Este tema es algo complicado sino se tienen unas nociones de ingeniería de materiales por lo que no vamos a entrar en el tema. Para ver el efecto de estos materiales más vale una imagen que mil palabras, y mucho mejor unos vídeos, cómo es el caso:

   En el primer vídeo, el muelle SMA vuelve a su forma original tras ser calentado por un secador para el pelo, normal y corriente, y en el segundo al introducirlo en agua caliente.

    El proceso de transformación de martensita a austenita y viceversa, es decir la memoria de forma, lo podemos ver en la FIGURA del ciclo de histéresis. Esta transformación está caracterizada por 4 temperaturas o pequeños rangos de temperatura, denominadas temperaturas características o temperaturas de transformación:

Ciclo de histéresis

   La aleación con memoria de forma que más se usa comercialmente por sus numerosas ventajas es la de Niquel-Titanio conocida como Nitinol, debido a que fue descubierta por el Naval Ordnance Laboratory de E.E.U.U. en 1959 (Nitinol = Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory)

   Estas aleaciones de Nitinol se suelen comercializar en forma de muelles, placas finas… pero sobretodo se comercializan en forma de hilos o cables denominados músculos artificiales, ya que actúan igual que un musculo, se contraen al llegarles la señal eléctrica, al igual que el músculo se contrae al llegar la señal nerviosa. Estos hilos de Nitinol tienen grandes aplicaciones potenciales en el mundo de los actuadores debido a numerosas ventajas como:

  1. Elevada relación fuerza–peso: comparados con otros actuadores como motores, cilindros neumáticos o hidráulicos.
  2.  Simplicidad mecánica: solo usan la fuerza de contracción y puede ser accionada directamente por una corriente eléctrica.
  3. Fácil miniaturización: pueden ser usados como actuadores de accionamiento directo sin requerir sistemas de amplificación o reducción de movimiento como engranajes, por lo que su mantenimiento es sencillo.
  4. Limpieza y bajo ruido: Debido a que estos materiales no requieren mecanismos de fricción, producen pocas partículas de polvo y por lo tanto también poco ruido. Estas características hacen de los SMA unos actuadores  muy válidos para ser usados en microelectrónica, biotecnología y aplicaciones  médicas.
  5. Tienen una alta biocompatibilidad, perfectos para el caso de ser usados en cualquier aplicación médica.
  6. Excelente resistencia a la corrosión.
  7. Su precio no es muy elevado.

 Pero no iban a ser todo ventajas, los SMAs también poseen algunas desventajas:

  1. Baja eficiencia energética: La eficiencia real es menor del 1%, la mayoría de la energía calorífica es perdida con el entorno. Por esto, los actuadores SMA deben limitados a áreas donde la eficiencia energética no sea una prioridad.
  2. Degradación y fatiga: El rendimiento a lo largo del tiempo y la fiabilidad dependen de factores cómo la máxima temperatura que se alcance y la tensión. Se tiene que tener un especial cuidado con los sobrecalentamientos y las sobretensiones en el hilo para que dure el máximo tiempo posible.
  3. Baja velocidad: generalmente los actuadores de SMA son considerados lentos en cuanto a respuesta se refiere debido a sus restricciones en enfriamiento y calentamiento así, como a su ciclo térmico de histéresis.
  4. Control impreciso: El largo ciclo de histéresis, así como sus características no lineales en sus fases de transformación, hacen difícil controlar de manera muy precisa a los SMA. Aunque, en los últimos años, las numerosas investigaciones que se están realizando están mejorando la velocidad de respuesta de los cables y consiguiendo controles muy precisos.

   Desde su descubrimiento, el Nitinol ha ido ganando en usos y aplicaciones. Su introducción en el mercado fue muy lenta debido a los problemas iniciales en su fabricación, a su elevado precio y a no disponer de unos planes de marketing adecuados, pues no se tenía claro el perfil de cliente que demandaba el producto. Tras solucionarse estos problemas, el Nitinol comenzó a utilizarse cada vez en más productos, apareciendo dispositivos basados en este material en medicina, ingeniería aeroespacial, telecomunicaciones, automoción, automática, productos de consumo…

   De algunas de las aplicaciones comerciales o prototipos basados en Nitinol hablaré en futuros post. Mi intención solo es dar a conocer este tipo de materiales, sin entrar demasiado en temas técnicos, y despertar la curiosidad sobre los SMA y las posibles aplicaciones que pueden tener.

  Por último, les dejo con un par de vídeos: el primero de un mecanismo que consigue ir desplazándose gracias a un cable de Nitinol y el segundo de un motor pequeño, del mismo material, que consigue moverse al introducirse una parte de él en agua caliente:

Anuncios
Esta entrada fue publicada en Materiales y etiquetada , , . Guarda el enlace permanente.

Una respuesta a Introducción a las Aleaciones con Memoria de Forma: el Nitinol.

  1. Pingback: Mano robótica antropomórfica Shadow Hand | Adquisición de Datos

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s