NiTinol has been widely developed over the years because of its peculiar properties, shape memory effect (SME) and superelasticity (SE), which result interesting for the realization of new smart engineering solutions, not possible with conventional materials. The production of NiTinol smart elements has always been a critical issue to be addressed: the cutting process is influenced by the unconventional shape memory stress-strain behavior of the material that causes poor chip breaking and the formation of large amounts of burr in combination with high tool wear. For this reason, unconventional methods for the machining of this alloy have been developed. In the first part of the thesis, the laser heat treatment of cold-worked wires was carried out as a preliminary investigation to understand the effects of the laser annealing, to implement it on diamond devices. The effect generated on the wire by a variation of laser power and beam shape was analyzed. The second part of this thesis work studies the femtosecond (fs) laser cutting of diamond shaped micro-devices from 100µm thick NiTinol sheets, with the focus on defining the best parameters for the machining. Fs laser cutting was performed both on straight annealed sheet and cold-worked sheet. After the parameters were defined, diamond devices were cut and different approaches for the generation of a superelastic behavior in the diamond devices were studied and compared. The superelasticity obtained for devices directly cut from a straight annealed sheet and those of devices overheated during the cutting from cold-worked sheet were compared to the one of laser annealed and furnace annealed cold-worked devices found in literature. The case showing superelasticity after cutting from cold-worked material without any further heat treatment because of the heating induced was interesting to be analyzed, because of the removal of the heat treatment step from the production process, reducing lead time and costs. Even though the results and properties obtained were different for every production path followed, good superelasticity can be observed in every situation, indicating the effectiveness of every technique employed.

Il NiTinol è stato largamente studiato nel corso degli anni, per via delle sue peculiari proprietà, l’effetto a memoria di forma e la superelasticità, che risultano di grande interesse per la realizzazione di sistemi e soluzioni Smart, non possibili con materiali convenzionali. La produzione di dispositivi Smart in NiTinol è sempre stata un elemento critico da affrontare: il processo di taglio è influenzato dalla risposta meccanica non convenzionale generata nel materiale, a causa dell’effetto a memoria di forma, che causa un truciolo difficile da rompere e la generazione di una grande quantità di bava, in concomitanza con alta usura dell’utensile. Nella prima parte, lo studio della ricottura laser di filo NiTi incrudito è stato effettuato per investigare gli effetti dati da potenza e distribuzione del fascio ed estenderli ai micro-dispositivi a forma di diamante. La seconda parte della tesi studia il taglio laser ad impulsi ultracorti (nell’ordine dei femtosecondi) di micro-dispositivi a forma di diamante da lamine di NiTinol spesse 100µm, ponendo l’attenzione sulla definizione dei parametri ottimali di processo. Il taglio laser ad impulsi ultracorti è stato usato per tagliare dispositivi da lamine ricotte e incrudite. Dopo aver trovato i parametri ottimali per il taglio, processi diversi per la generazione di superelasticità nei micro-dispositivi sono stati analizzati e i risultati confrontati. La superelasticità ottenuta per dispositivi tagliati da materiale ricotto e quella per dispositivi tagliati da materiale incrudito, surriscaldato, è stata paragonata a quella di dispositivi incruditi trattati in forno e con ricottura laser trovati in letteratura. Il caso che mostra superelasticità già dopo il taglio da materiale incrudito è molto interessante, nell’ottica della riduzione dei tempi e costi di processo. Nonostante i risultati e le proprietà ottenute siano diverse a seconda del percorso di produzione seguito, è possibile osservare una buona superelasticità in ogni situazione analizzata, indice dell’efficacia di ogni tecnica impiegata.

Superelasticity induced by laser processing in NiTinol elements

BONFANTI, MARCO
2017/2018

Abstract

NiTinol has been widely developed over the years because of its peculiar properties, shape memory effect (SME) and superelasticity (SE), which result interesting for the realization of new smart engineering solutions, not possible with conventional materials. The production of NiTinol smart elements has always been a critical issue to be addressed: the cutting process is influenced by the unconventional shape memory stress-strain behavior of the material that causes poor chip breaking and the formation of large amounts of burr in combination with high tool wear. For this reason, unconventional methods for the machining of this alloy have been developed. In the first part of the thesis, the laser heat treatment of cold-worked wires was carried out as a preliminary investigation to understand the effects of the laser annealing, to implement it on diamond devices. The effect generated on the wire by a variation of laser power and beam shape was analyzed. The second part of this thesis work studies the femtosecond (fs) laser cutting of diamond shaped micro-devices from 100µm thick NiTinol sheets, with the focus on defining the best parameters for the machining. Fs laser cutting was performed both on straight annealed sheet and cold-worked sheet. After the parameters were defined, diamond devices were cut and different approaches for the generation of a superelastic behavior in the diamond devices were studied and compared. The superelasticity obtained for devices directly cut from a straight annealed sheet and those of devices overheated during the cutting from cold-worked sheet were compared to the one of laser annealed and furnace annealed cold-worked devices found in literature. The case showing superelasticity after cutting from cold-worked material without any further heat treatment because of the heating induced was interesting to be analyzed, because of the removal of the heat treatment step from the production process, reducing lead time and costs. Even though the results and properties obtained were different for every production path followed, good superelasticity can be observed in every situation, indicating the effectiveness of every technique employed.
TUISSI, AUSONIO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-apr-2019
2017/2018
Il NiTinol è stato largamente studiato nel corso degli anni, per via delle sue peculiari proprietà, l’effetto a memoria di forma e la superelasticità, che risultano di grande interesse per la realizzazione di sistemi e soluzioni Smart, non possibili con materiali convenzionali. La produzione di dispositivi Smart in NiTinol è sempre stata un elemento critico da affrontare: il processo di taglio è influenzato dalla risposta meccanica non convenzionale generata nel materiale, a causa dell’effetto a memoria di forma, che causa un truciolo difficile da rompere e la generazione di una grande quantità di bava, in concomitanza con alta usura dell’utensile. Nella prima parte, lo studio della ricottura laser di filo NiTi incrudito è stato effettuato per investigare gli effetti dati da potenza e distribuzione del fascio ed estenderli ai micro-dispositivi a forma di diamante. La seconda parte della tesi studia il taglio laser ad impulsi ultracorti (nell’ordine dei femtosecondi) di micro-dispositivi a forma di diamante da lamine di NiTinol spesse 100µm, ponendo l’attenzione sulla definizione dei parametri ottimali di processo. Il taglio laser ad impulsi ultracorti è stato usato per tagliare dispositivi da lamine ricotte e incrudite. Dopo aver trovato i parametri ottimali per il taglio, processi diversi per la generazione di superelasticità nei micro-dispositivi sono stati analizzati e i risultati confrontati. La superelasticità ottenuta per dispositivi tagliati da materiale ricotto e quella per dispositivi tagliati da materiale incrudito, surriscaldato, è stata paragonata a quella di dispositivi incruditi trattati in forno e con ricottura laser trovati in letteratura. Il caso che mostra superelasticità già dopo il taglio da materiale incrudito è molto interessante, nell’ottica della riduzione dei tempi e costi di processo. Nonostante i risultati e le proprietà ottenute siano diverse a seconda del percorso di produzione seguito, è possibile osservare una buona superelasticità in ogni situazione analizzata, indice dell’efficacia di ogni tecnica impiegata.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/145660