塔林科技大學開發(fā)出3D打印電機磁芯的新方法

導讀：磁芯是具有高磁導率的磁性材料片，它們通常應用于引導和指導各種電氣系統(tǒng)和機器中的磁場，包括電磁鐵、變壓器、電動機、發(fā)電機、電感器和其他磁性組件。到目前為止，由于難以保存磁芯的效率，軟磁芯的3D打印一直是一個重大挑戰(zhàn)。

2022年5月24日，南極熊獲悉，來自塔林科技大學和愛沙尼亞生命科學大學的研究人員正在研究使用3D打印技術來生產軟磁芯。該研究小組提出了一個全面的基于激光的增材制造工作流程，他們聲稱可以產生優(yōu)于軟磁復合材料的磁性。

△鐵氧體電感器包括一個由銅線圈包圍的磁芯。圖片來自Jurgis Mankauskas。

3D打印電磁材料

具有電磁特性的金屬的增材制造是一個新興的研究領域。電機制造行業(yè)已經在嘗試開發(fā)3D打印集成應用部件，并認為設計自由可以為行業(yè)的創(chuàng)新提供巨大幫助。

例如，3D打印具有磁性和電氣性能的復雜功能部件可以為帶有嵌入式電機、執(zhí)行器、電路和齒輪箱的定制機器鋪平道路。這種定制機器可以在數字制造設施中生產、裝配和后處理，并且最大程度上減少材料浪費，因為許多裝配部件都是通過3D打印完成的。

不過，3D打印復雜的電機的大部件仍然沒有成為現實。這些設備往往具有挑戰(zhàn)性的要求，如小的空氣間隙以提高功率密度，更不用說需要多材料的裝配了。

因此，迄今為止的研究主要集中在更基本的部件上，如3D打印的軟磁轉子、銅線圈和氧化鋁熱導。軟磁芯也有很受關注，但在3D打印過程中盡量減少磁芯損失是一個有待跨越的障礙。

△一組打印的樣品立方體展示了激光功率和打印速度對磁芯結構的影響。照片來自塔林科技大學。

一個優(yōu)化的3D打印工作流程

為了展示優(yōu)化的磁芯3D打印工作流程，研究人員確定了應用的最佳工藝參數，包括激光功率、掃描速度、艙口間距和層厚。

△（a）Taltech公司的SLM Solutions SLM 280打印系統(tǒng)，（b）帶有定制再涂層器、粉末儲存器和縮小平臺的打印機構建室，以及（c）定制再涂層器系統(tǒng)的截面。

愛沙尼亞大學的團隊還研究了退火參數的影響，以實現最小的直流損耗、準靜態(tài)、磁滯損耗和最高的磁導率。最佳的退火溫度被確定為1200℃，這導致了最高的相對密度為99.86%，最低的表面粗糙度為0.041毫米，最小的磁滯損失為0.8W/kg，以及極限屈服強度為420MPa。

△能量輸入對3D打印磁芯的表面粗糙度的影響。圖片來自塔林科技大學。

最終，研究人員認定，基于激光的金屬增材制造是一種可行的3D打印電機應用的磁芯材料的方法。

就未來的工作而言，該團隊打算對零件的微裂紋進行表征，以深入了解晶粒大小和晶粒取向，以及它們對磁導率和強度的影響。研究人員還將進一步研究如何優(yōu)化3D打印磁芯的幾何形狀以提高性能。

該研究的更多細節(jié)可以在題為 "激光增材制造電機磁芯的設計和工藝/Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process forElectrical Machine Applications"的論文中找到。

相關論文鏈接：https://www.mdpi.com/1996-1073/15/10/3665

3D打印和磁性材料的結合，催生了一大批新的應用，不僅僅是電機。今年早些時候，由劍橋大學卡文迪什實驗室領導的一個國際科學家團隊利用3D打印技術開發(fā)了一套微型納米磁體。使用定制的3D打印工藝創(chuàng)建的納米磁體呈DNA啟發(fā)的雙螺旋形狀，并在粒子捕獲、成像技術和智能材料等領域顯示出前景。

在其他地方，西班牙IMDEA納米科學研究所（一個跨學科研究中心）的研究人員最近開發(fā)了一種使用回收材料3D打印磁鐵的新方法。這項工作是作為對COVID-19大流行病造成的供應鏈問題的一種回答，它使制造業(yè)缺少許多材料，包括制造磁鐵所需的材料。