От ветряных турбин и электродвигателей до датчиков и систем магнитного переключения: постоянные магниты используются во многих различных электрических устройствах. Производство этих магнитов обычно включает спекание или литье под давлением. Но из-за растущей миниатюризации электроники и более строгих требований, предъявляемых к магнитным компонентам с точки зрения геометрии, эти традиционные методы производства часто не оправдывают ожиданий. Однако технологии аддитивного производства обеспечивают необходимую гибкость формы, позволяя производить магниты с учетом требований конкретного применения.
Магниты на заказ
Исследователи Технического университета Граца в сотрудничестве с коллегами из Венского университета и Университета имени Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU), а также с командой из исследовательского центра Joanneum Research в Граце преуспели в производстве супермагнитов с с помощью технологии лазерной 3D-печати. В этом методе используется порошкообразная форма магнитного материала, который наносится слоями и расплавляется для связывания частиц, в результате чего компоненты полностью состоят из металла. Команда ученых довела процесс до стадии, когда они могут печатать магниты с высокой относительной плотностью, при этом сохраняя контроль над их микроструктурой. «Сочетание обеих этих характеристик позволяет эффективно использовать материал, поскольку это означает, что мы можем точно адаптировать магнитные свойства в соответствии с применением», - объясняют Зигфрид Арнейц и Матеуш Скалон из Института материаловедения, соединения и формовки Технического университета Граца.
Первоначальным направлением деятельности исследовательской группы было производство неодимовых магнитов, или NdFeB. Благодаря своим химическим свойствам редкоземельный металл неодим используется в качестве основы для многих сильных постоянных магнитов, которые являются важными компонентами для многих важных приложений, включая компьютеры и смартфоны. Подробное описание своей работы исследователи опубликовали в журнале Materials. В других приложениях, таких как электрические тормоза, магнитные переключатели и некоторые системы электродвигателей, сильная сила магнитов NdFeB не нужна, а также нежелательна.
Искать альтернативы редкоземельным элементам
По этой причине Зигфрид Арнейц, аспирант Института материаловедения, соединения и формовки Технического университета Граца, продолжает исследования магнитов, напечатанных на 3D-принтере, опираясь на уже достигнутые результаты. Он пишет диссертацию о 3D-печати магнитов Fe-Co (железо и кобальт). Эти магниты представляют собой многообещающую альтернативу магнитам NdFeB в двух отношениях: добыча редкоземельных металлов является ресурсоемкой и не очень привлекательной с точки зрения устойчивости, а переработка таких металлов все еще находится в зачаточном состоянии. Но магниты Fe-Co менее вредны для окружающей среды.
Редкоземельные металлы также теряют свои магнитные свойства при более высоких температурах, в то время как специальные сплавы Fe-Co сохраняют свои магнитные свойства при температурах от 200° до 400° Цельсия и демонстрируют хорошую температурную стабильность.
Арнейц оптимистичен в отношении своих первоначальных выводов: «Теоретические расчеты показали, что магнитные свойства этих материалов можно улучшить в два или три раза. Учитывая гибкость формы, которую предлагает 3D-печать, мы уверены. мы можем приблизиться к этой цели. Мы собираемся продолжить работу над этой темой в сотрудничестве с различными другими институтами, чтобы мы могли разработать альтернативные магнитные материалы для областей, в которых неодимовые магниты не нужны."
Различные команды и институты Технического университета Граца работают над технологиями аддитивного производства и зафиксировали устойчивый поток научных достижений.