Laser cutting of superelastic Nitinol for micro-devices

The aim of this thesis is the experimental characterization of laser cutting process on a superelastic NiTi alloy, to finally realize some micro-devices relevant for the field of actuation. The first part of the work has been structured on the analysis of the effect of furnace annealing, which has been performed on cold worked Nitinol foils, and they have been compared with the material that has been heat treated by the supplier, and named as “straight annealed”. The purpose of heat treatment, realized after cold rolling process, is restoring functional properties of Nitinol, i.e. Superelasticity. A thermal treatment performed at 500°C for 20 minutes has been identified as an appreciable solution to obtain characteristics similar to the ones of “straight annealed” material. On the contrary, thermal treatments realized at higher temperatures cause the degradation of material performances. This analysis is considered as useful to understand in detail the effect of laser cutting process on characteristics of thermally damaged material. In the second part of the work, laser cutting process, executed by means of a ytterbium active fiber laser source, has been studied. Different experimental campaigns have been realized to define feasibility area of the process, and to produce samples containing throughout linear cuts and tensile specimens. The aim of this activity is studying thermal damages introduced by laser cutting. It is worth mentioning here that an innovative approach has been introduced, concerning the study of geometrical distortions induced in laser cut devices with different process parameters. Calorimetric analyses allowed to understand cutting effects on the material. Evaluation of thermal damages has been deepened by studying cross sections of linear cuts by metallography, which have been realized with different process parameters. In parallel to this analysis, chemical and electro-chemical post-processing operations have been proposed. In the third part of the thesis, some micro-devices with rhomboidal shape, called “diamond” have been realized; their thermo-mechanical responses have been evaluated by means of tensile tests and strain recovery characterizations. A strong relationship between thermal damages introduced and not optimal material responses in terms of Superelasticity has pushed towards the utilization of a different laser source to realize micro-devices; in detail, performances of a femtosecond laser solution, able to remove material by its instantaneous vaporization, have been evaluated. This machining modality allows to limit thermal damages, and even to guarantee precision and quality levels surely higher than what has been obtained in the previous part of the work. SEM and optical microscope observations, calorimetric analyses and mechanical tests have demonstrated that material has not been damaged as in the case of fusion laser cutting. Hence, ultra-short laser cutting has been demonstrated to be an excellent solution to realize SMAs micro-devices without compromise functional properties of base material.

Lo scopo di questo lavoro di tesi concerne la caratterizzazione sperimentale del processo di taglio laser su una lega in NiTi superelastica, al fine di realizzare dei micro-dispositivi rilevanti per il campo dell’attuazione. Una prima parte del lavoro è stata strutturata sull’analisi dell’effetto del trattamento termico, eseguito su lamine di Nitinol allo stato incrudito, e confrontato alla condizione trattata termicamente dal fornitore e definita “straight annealed”. L’obiettivo del trattamento termico, al termine del processo di laminazione a freddo, è quello di per ripristinare le proprietà funzionali della lega Nitinol, ovvero la Superelasticità. Un trattamento termico a 500°C per 20 minuti è stato identificato essere una valida condizione per ottenere caratteristiche funzionali prossime a quelle del materiale “straight annealed”. Al contrario, trattamenti termici eseguiti a temperature più elevate portano alla degradazione delle prestazioni del materiale. Tale analisi è considerata funzionale per comprendere in modo dettagliato l’effetto del processo di taglio laser sulle caratteristiche del materiale sottoposto a danneggiamento termico. Nella seconda parte del lavoro è stato studiato il processo di taglio laser, eseguito mediante una sorgente laser ad Itterbio in fibra attiva, sono state eseguite diverse campagne sperimentali per la realizzazione del definizione della finestra di fattibilità, per la realizzazione di campioni contenenti tagli lineari passanti e di provini di trazione. Lo scopo di questa attività è quello di studiare i danneggiamenti termici introdotti dalla lavorazione di taglio laser. Una particolare menzione spetta all’innovatività legata allo studio delle distorsioni geometriche indotte nei dispositivi tagliati tramite tecnologia laser al variare dei parametri di processo. L’analisi calorimetrica effettuata ha permesso di comprendere gli effetti del taglio sul materiale. La valutazione dei danneggiamenti termici è stata approfondita grazie all’analisi metallografica delle sezioni trasversali di alcuni tagli lineari, realizzati con diverse condizioni di processo. In parallelo a tale analisi, sono stati proposti dei processi di finitura di tipo chimico ed elettro-chimico. Nella terza fase del lavoro, sono stati realizzati alcuni micro-dispositivi aventi forma romboidale, denominati “diamond”; sono state valutate le loro risposte termo-meccaniche mediante prove di trazione e caratterizzazioni di recupero di deformazione. Una forte correlazione tra i danneggiamenti termici introdotti e le non ottimali prestazioni funzionali del materiale in termini di Superelasticità hanno spinto verso l’utilizzo di una differente sorgente laser per la realizzazione di micro-dispositivi. In particolare, sono state verificate le prestazioni nel processo di taglio di una sorgente laser ai femtosecondi, capace di rimuovere materiale tramite la sua istantanea vaporizzazione; questa modalità di lavorazione consente di limitare i danneggiamenti termici oltre che garantendo un livello di precisione e di qualità decisamente superiore rispetto a quanto ottenuto nella precedente parte del lavoro. Osservazioni tramite microscopia elettronica a scansione e ottica, analisi calorimetriche e prove meccaniche hanno dimostrato che il materiale non è stato danneggiato, come nel caso del processo di taglio per fusione. Perciò, il taglio laser effettuato con impulsi ultra-corti ha dimostrato di essere un’eccellente soluzione per realizzare micro-componenti in lega a memoria di forma, senza comprometterne le proprietà funzionali del materiale di partenza.