3D производство магнитов. Как это сделано?

3D технологии всё масштабнее входят в нашу жизнь. Уже каждый может позволить себе 3D принтер, но на этом развитие аддитивной отрасти не останавливается, а постоянно развивается и усовершенствуется. Так совсем недавно, в журнале Applied Physics Letters появилась по-настоящему революционная статья на тему аддитивного производства постоянных магнитов.

Постоянные магниты в настоящее время используются масштабно. И это не только сувениры на холодильник, привезённые из заморских стран. Ферромагнитные материалы используются в самых разнообразных сферах: начиная от медицины (магнитная терапия) и заканчивая космическими аппаратами (например, для стыковки орбитальных станций). Наиболее широкое применение магниты нашли в промышленности и энергетике: двигатели, генераторы, акустические системы, магнитные сепараторы, различная аппаратура – всё требует постоянных магнитов. Однако, в силу своей специфики, каждый конкретный прибор и аппарат требует строго определённого магнита, с определённой формой и параметрами намагничивания. Поэтому, если у производителей техники нет возможности изготовить или заказать постоянный магнит, то это вызывает определённые сложности.

Аддитивные технологии призваны помочь с этим досадным недоразумением. Это стало возможным, благодаря работе инженерам из Венского технологического университета (Австрия).

По сути, учёные создали новый филамент – так называемый полимагнит под коммерческим названием «Neofer 25/60p».

Полимерный магнит – это композитное вещество, состоящее из собственно магнитного порошка и связующего полимера. Таким образом, материал, кроме ферромагнитных свойств, получает также лёгкость и гибкость пластика.

Для создания филамента потребовалось 65% изотропного порошка NdFeB (неодим-железо-бор) и 35% полиамида (нейлон 12). По технологии производства композитного материала, частицы NdFeB перемешаны в полиамиде, что хорошо видно на фотографии, сделанной под микроскопом:

Для 3D-печати материал подвергли предварительной атомизации и термообработке. То есть просеяли и разогрели. Затем гранулы Neofer 25/60p сформовали в нити нужного диаметра 1,75 мм.

Филамент из смеси Neofer 25/60p:

Свойства материалов показаны в таблице: исходный порошок, смесь для 3D-печати и смесь для литья:

NdFeB является одним из составляющих современных мощных неодимовых магнитов. Однако, они изготовлены из дорогостоящих редкоземельных материалов (в частности неодим и диспрозий). Кроме того, традиционное производство таких магнитов – литьё под давлением, что приводит к большому проценту брака и составляет по некоторым данным от 30% до 50%, также сказываясь на стоимости конечной продукции.

Аддитивное производство позволяет сократить данный изъян. Также примечательно, что по своей сути мы печатаем не сколько сам магнит, а сколько магнитное поле, так как его параметры зависят от формы самого магнита.

В результате всех исследований, учёные напечатали на 3D принтере образец магнита заданной формы и с заранее рассчитанным магнитным полем.

Так как материал новый, то с учётом своих проб и ошибок, исследователи вывели эмпирические параметры печати:

Чтобы придать напечатанной болванке магнитные свойства, изделие поместили в магнитное поле с индукцией 4 Тл.

Для контроля результата была изготовлена установка на основе датчика Холла. И напечатанный магнит сравнили с образцом. Форма и направление магнитного поля практически совпала с теоретическим выводом.

Однако, в любой бочке есть ложка дёгтя. Хотя, данный магнит практически не уступает своим традиционным аналогам, но у данной технологии есть проблема. По технологическим и экономическим соображениям, применяемый материал обладает недостаточными магнитными характеристиками. Разумеется, можно использовать более качественное исходные сырьё, но в этом случае весь экономический эффект сводится на нет. Впрочем, чересчур мощные магниты мало кому нужны, да и речь не от этом.

А что Вы думаете о будущем производства магнитов, напечатанных на 3D-принтере?

Научная работа австрийских специалистов опубликована 17 октября 2016 года в журнале Applied Physics Letters (doi: 10.1063/1.4964856).