Principales aplicaciones de las aleaciones con memoria de forma

Las aleaciones con memoria de forma (SMA ) son una clase única de materiales inteligentes capaces de recuperar una forma predefinida cuando se exponen a un estímulo térmico o mecánico específico. A diferencia de los metales convencionales, los SMA presentan un efecto de memoria de forma y superelasticidad que les permite responder dinámicamente a su entorno. El nitinol (aleación de níquel y titanio) es el más utilizado, pero los SMA de cobre y hierro también desempeñan un papel importante en ingeniería. Gracias a su capacidad para combinar las funciones de detección, actuación y estructura en un solo material, los SMA se utilizan ahora ampliamente en aplicaciones médicas, industriales, aeroespaciales, robóticas y de consumo.

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Dispositivos médicos: la aplicación más madura y de mayor valor

El sector de la tecnología médica es el más consolidado y regulado para los SMA. Son biocompatibles, se prestan a la flexibilidad y poseen una considerable resistencia a la fatiga.

Los SMA también se utilizan habitualmente en stents vasculares, guías metálicas, implantes ortopédicos, arcos de ortodoncia y diversos dispositivos quirúrgicos. Los SMA superelásticos tienen la capacidad de sufrir grandes tensiones cuando el dispositivo se introduce en el cuerpo comprimiendo los alambres. Esta característica alivia en gran medida el daño tisular.

Además, el SMA también puede aprovecharse para permitir el despliegue activado por temperatura, lo que resulta muy valioso en los stents autoexpandibles y los dispositivos de fijación. La durabilidad, la resistencia a la corrosión y la compatibilidad con tecnologías de imagen, como la resonancia magnética, también contribuyen al uso y la superioridad sin parangón de los SMA en este campo.

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Actuadores: alternativas compactas a los motores y la hidráulica

Los actuadores de SMA encuentran grandes aplicaciones allí donde es necesario cumplir limitaciones de espacio, requisitos de ruido y alta densidad de fuerza. En este caso, los actuadores de SMA se diferencian de otros actuadores convencionales porque no necesitan engranajes mecánicos ni motores para convertir la energía térmica.

Por lo general, se encuentran en la automatización industrial, la tecnología aeroespacial, la electrónica de consumo y diversas piezas de automoción. Como se ha mencionado, varios ejemplos incluyen válvulas térmicas, respiraderos adaptables, sistemas de enclavamiento y tecnologías de micro-posicionamiento. Dado que los SMA son capaces tanto de detectar como de accionar, es evidente que la complejidad se reduce al mínimo.

Aunque la velocidad de funcionamiento de los actuadores SMA tiende a ser menor que la de los electromagnéticos, su facilidad de uso y fiabilidad los hacen idóneos para situaciones que exigen ciclos moderados.

Aeroespacial: reducción de peso y estructuras adaptables

En ingeniería aeroespacial, cada gramo cuenta, y éste es un campo en el que los SMA se utilizan cada vez más para proporcionar dispositivos flexibles, ligeros y libres de mantenimiento, ya sea en aviones o naves espaciales.

Las aplicaciones típicas consisten en piezas alares, amortiguación de vibraciones, liberación térmica y estructuras espaciales. En estas aplicaciones, actúa como sustituto de sistemas mecánicos complejos con un mínimo de piezas, especialmente en entornos con temperaturas y presiones extremas.

Su capacidad para funcionar en el vacío, exponerse a la radiación y operar en una amplia gama de temperaturas hace que estos dispositivos sean muy adecuados para las tecnologías de exploración espacial y de satélites.

Robótica: movimiento suave y biomimético

Los SMA tienen una gran aplicación en el desarrollo de la robótica blanda y los dispositivos biomiméticos, ya que en estos sistemas no pueden utilizarse actuadores rígidos.

Gracias a su comportamiento contráctil muscular, los alambres y muelles de los SMA permiten movimientos orgánicos en pinzas robóticas, extremidades artificiales y exoesqueletos vestibles. Su funcionamiento silencioso y su tamaño en miniatura los hacen idóneos para su uso en entornos con interacción humana.

En los sistemas médicos robóticos y de rehabilitación, los SMA facilitan la aplicación y respuesta de fuerzas suaves. De este modo, no sólo mejoran la seguridad y la comodidad, sino que también crece la robótica que utiliza estos materiales.

Sistemas de automoción: fiabilidad y capacidad de respuesta térmica

La industria de la automoción emplea los SMA para hacer posibles componentes con capacidad de respuesta térmica y autorregulación que garanticen la fiabilidad y la simplicidad mecánica.

Las aplicaciones más comunes incluyen las válvulas de control térmico del motor, el flujo de aire adaptable, la seguridad, así como elementos de confort como los asientos ajustables y la ventilación. Los SMA son apreciados por su durabilidad durante el uso, así como por su capacidad para funcionar sin dispositivos adicionales, como sensores, en algunos casos.

La resistencia a vibraciones y condiciones adversas garantiza su viabilidad para aplicaciones de automoción, especialmente para vehículos híbridos y eléctricos, donde la eficiencia energética es sumamente importante.

Ingeniería civil: estructuras autoadaptables y sismorresistentes

Por ejemplo, en infraestructuras civiles, los SMA se utilizan para mejorar la resistencia estructural en lugares propensos a terremotos.

Los amortiguadores, refuerzos y conectores basados en SMA tienen la capacidad de absorber las fuerzas sísmicas durante los terremotos. Además, la estructura vuelve a su posición original después de los seísmos. Por lo tanto, no hay costes de reconstrucción.

Puentes, edificios de gran altura y edificios históricos reacondicionados experimentan importantes beneficios con los materiales SMA, que tienen suficiente resistencia, flexibilidad y durabilidad sin dificultades de mantenimiento.

Electrónica de consumo: miniaturización y funciones inteligentes

En dispositivos de consumo compactos, los SMA ofrecen soluciones elegantes en movimiento miniaturizado y control de precisión.

Estos dispositivos también pueden formar parte de sistemas de autoenfoque de cámaras o módulos de estabilización óptica de imagen, sistemas de retroalimentación háptica y wearables inteligentes. Por lo general, los dispositivos SMA ofrecen una ventaja de ausencia de ruido y ahorro de espacio en comparación con los dispositivos de motor convencionales.

A medida que aumente el interés por dispositivos electrónicos más inteligentes y con mayor capacidad de respuesta, los SMA seguirán asistiendo a avances en su forma y función.

Petróleo, gas y energía: durabilidad en entornos difíciles

Los SMA también se emplean en sistemas de petróleo, gas y energía, donde los componentes deben funcionar de forma fiable en condiciones extremas de presión, temperatura y corrosión.

Las aplicaciones incluyen válvulas autoaccionadas, acoplamientos de tuberías, mecanismos de liberación de seguridad y herramientas de fondo de pozo. La capacidad de los SMA para funcionar sin alimentación externa ni complejos sistemas de control es especialmente valiosa en entornos remotos o inaccesibles.

Su resistencia a la corrosión y a la fatiga contribuye a reducir el mantenimiento y a mejorar la seguridad operativa.

Tabla 1: Características de las aleaciones con memoria de forma utilizadas en distintas aplicaciones

Conclusión

Las aleaciones con memoria de forma tienden un puente entre los materiales y las máquinas. Al combinar la integridad estructural con una respuesta inteligente, permiten diseños más sencillos, mayor fiabilidad y nuevas posibilidades funcionales en todos los sectores. A medida que sigan evolucionando el procesamiento de materiales, las estrategias de control y la experiencia en aplicaciones, las SMA desempeñarán un papel aún más importante en la configuración del futuro de los sistemas de ingeniería inteligentes. Para más información sobre materiales avanzados, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referencias:

[1] Raza, Syed & Khan, Imran & Ahmad, Mairaj & Tahir, Danish & Iltaf, Asim & Naqvi, Rida. (2021). Effect of Nano-Silica Volume Reinforcement on the Microstructure, Mechanical, Phase Distribution and Electrochemical Behavior of Pre-Alloyed Titanium-Nickel (Ti-Ni) Powder. Key Engineering Materials. 875. 60-69.