Qual è il futuro dei tubi in nitinol?

2 luglio 2020 Di Nancy Crotti

Le proprietà uniche del Nitinol lo hanno reso il preferito dell'industria dei dispositivi medici. Una nuova tecnica per unire meccanicamente il nitinol ad altri tubi metallici potrebbe ridurre i costi e mitigare i rischi.

Mark Broadley, Viant

(Immagine per gentile concessione di Viant)

Il Nitinol ha rivoluzionato il settore dei dispositivi medici. Grazie alla sua superelasticità flessibile, memoria di forma e biocompatibilità, il nitinol è diventato un materiale di riferimento per i dispositivi medici.

Ma questa lega di nichel/titanio non è priva di svantaggi. Innanzitutto, è relativamente costoso. Pertanto, anche se un dispositivo interamente in nitinol può soddisfare i requisiti prestazionali, potrebbe non essere pratico dal punto di vista dei costi. Di conseguenza, i progettisti di dispositivi medici potrebbero specificare il nitinol per un componente specifico che necessita di flessibilità e specificare un altro materiale, come l'acciaio inossidabile, per i componenti adiacenti.

Ma questo è il secondo aspetto negativo: il Nitinol è difficile da saldare o saldare, sia su se stesso che su altri materiali. Attualmente, se si desidera saldare il nitinol all'acciaio inossidabile, è necessario un componente intermedio di un materiale alternativo compatibile con entrambi i materiali. Per forme di prodotto più semplici come il filo, questo può essere un approccio economicamente vantaggioso. Ma per forme di prodotto più complesse come i tubi, il costo e i tempi di consegna del componente intermedio, nonché il metodo di saldatura del tubo più complesso, rendono questo approccio meno attraente.

Noi di Viant abbiamo sviluppato una nuova tecnica (in attesa di brevetto) per unire meccanicamente il nitinol ad altri metalli tagliati al laser, comunemente acciaio inossidabile.

Cominciamo con un'analogia. Da bambino, hai mai giocato con un piccolo cilindro di bambù intrecciato dai colori vivaci chiamato "trappola per dita cinese?" Metti gli indici in ciascuna estremità del cilindro e quando provi a estrarli, stringe solo la trappola. (Sfuggi alla trappola spingendo le estremità verso il centro, il che allarga le estremità e libera le dita.)

Lo stesso principio è all'opera in questa tecnica di giunzione dei tubi tagliata a puzzle. Tagliamo un numero di lobi attorno alla circonferenza dell'estremità del tubo di nitinol e tagliamo lobi di dimensioni e geometria complementari attorno all'estremità del tubo di acciaio inossidabile. Quando spingiamo i lobi di nitinol negli spazi tra i corrispondenti lobi di acciaio inossidabile, i lobi di nitinol ritornano alla loro forma precedente per impegnarsi meccanicamente e bloccare il giunto, come se collegassero i pezzi di un puzzle ad incastro, o come una trappola per le dita trattiene le dita. È veloce e facile da montare, con uno scatto soddisfacente.

I benefici? Innanzitutto, risparmierai sui costi limitando il nitinol nel tuo progetto solo ai componenti che si basano sulle sue caratteristiche prestazionali. In secondo luogo, si elimina il costo del componente intermedio, nonché della saldatura laser e del processo di verifica associato, riducendo così i rischi. E in terzo luogo, si uniscono insieme tubi di materiali diversi senza guaina di contenimento o fili di allineamento. Ciò consente una connessione a basso profilo che non ostruisce il lume interno in modo da poter ospitare un cavo per funzionalità aggiuntive del dispositivo.

In termini di considerazioni tecniche, è fondamentale che il tubo in nitinol abbia uno spessore di parete uniforme per evitare "sferzate" quando viene ruotato mentre è piegato. Eseguiamo l'ispezione a ultrasuoni al 100% dei tubi in nitinol per garantire uno spessore uniforme delle pareti attorno alla circonferenza. Inoltre, i tubi saldati in acciaio inossidabile vengono lavorati a freddo e ricotti durante il processo di produzione per garantire proprietà dimensionali e meccaniche omogenee attorno alla circonferenza.

Anche la resistenza del materiale è una considerazione di progettazione. Se un giunto è progettato per carichi di trazione, è importante che il tubo abbia una resistenza sufficiente per sopportare il carico sia nei lobi in nitinol che in quelli in acciaio inossidabile. Ciò può essere valutato eseguendo un'analisi FEA su un componente progettato e confermato da test funzionali del dispositivo per garantire che soddisfi i requisiti meccanici.

Quando stavamo sviluppando questa tecnologia, stavamo lavorando con un cliente su un dispositivo endoscopico da polso assistito da robot. Il progetto prevedeva un attuatore in nitinol che trasmette il movimento da un dispositivo robotico attraverso il polso agli strumenti utilizzati per operare. Quando abbiamo valutato il prezzo di un sistema di attuazione in nitinol, il costo era proibitivo a causa del lungo tubo di attuazione in nitinol. Quindi abbiamo pensato che se potessimo unire il nitinol con un altro materiale più conveniente, come l'acciaio inossidabile, mantenendo il nitinol solo sul polso, avremmo potuto risparmiare sui costi. Stimiamo che l'utilizzo di questa tecnica di giunzione a puzzle avrebbe ridotto il costo del dispositivo del 30%.