Femtosecond laser microcutting and laser annealing of superelastic Nitinol elements

The aim of this thesis is the functional characterization of femtosecond laser cut superelastic Nitinol microdevices. Moreover, an alternative method to perform heat treatment on the cold worked NiTi elements through a laser beam was studied. In the first part of the thesis, femtosecond laser cutting of thermally treated NiTi sheets was investigated: dogbone and diamond like shaped elements were cut for functional characterization. The laser cut devices were post processed to obtain a clean and uniform surface by chemical etching and electropolishing to remove the thermal affected zones obtained during laser cutting. Scanning electron microscopy was used to analyse the laser entry, exit and lateral surface of the devices before and after electropolishing. Mechanical characterization was performed for testing the force-displacement and strain recovery responses. In the second part of the thesis, cold worked diamond devices were laser cut using femtosecond technology for limiting the heat affected zone and then thermally treated using a defocused laser beam, having a continuous wave emission. Preliminary test of laser annealing was performed by changing process parameters, like power and number of laser passes. Calorimetry, force-displacement and hysteresis testing were conducted on the laser treated diamond like devices: an evident evolution of superelasticity was found. It was demonstrated that superelasticity can be induced using a laser beam on the cold worked material.

Lo scopo di questa tesi è la caratterizzazione funzionale dei microelementi in Nitinol superelatico realizzati mediante processo di taglio laser con sorgente ai femtosecondi. Inoltre, è stato proposto un metodo alternativo per eseguire il trattamento termico sugli elementi in NiTi utilizzando un fascio laser. Nella prima parte della tesi è stato studiato il taglio laser ai femtosecondi di lamine sottili in NiTi trattato termicamente: sono stati tagliati elementi con differenti geometrie (osso di cane e cosidetto diamond) per studiare le loro proprieta’ funzionali. Tali elementi sono stati successivamente sottoposti a processi di finitura chimica ed elettrochimica per rimuovere le zone termicamente alterate ed il materiale fuso ridepositato. La microscopia elettronica di scansione è stata usata per analizzare l'ingresso, l'uscita e la superficie laterale dei dispositivi prima e dopo finitura superficiale. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita per testare le risposte di forza-spostamento e di recupero di deformaqzione degli elementi in NiTi Nella seconda parte della tesi, i dispositivi a diamante, nella condizione incrudita, sono stati tagliati con la medesima tecnologia laser e successivamente trattati termicamente con un fascio laser sufficientemente defocalizzato. Test preliminary sono stati eseguiti per dimostrare la fattibilita’ di tale processo, facendo variare alcuni parametri di processo come la potenza del fascio laser ed il numero di passate. Caratterizzazione calorimetrica e test meccanici funzionali sono stati effettuati per valutare l’effetto della condizioni di processo studiate sulle proprieta’ funzionali degli elementi trattati laser e tali caratteristiche sono state confrontate con quelle dello stesso materiale trattato termicamente in forno in modo convenzionale. È stata dunque dimostrata la possibilita’ di indurre la superelasticità in elementi di Nitinol utilizzando un fascio laser su materiale incrudito, ovvero che non mostrerebbe tali proprieta’.