微型永磁體可以在3D打印機(jī)上打印出來

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來自烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院的科學(xué)家們正在確定基于稀土金屬的硬磁性化合物3D打印永磁體的最佳條件。這將使磁鐵的小規(guī)模生產(chǎn)成為可能，在制造過程中賦予它們?nèi)魏涡螤睿�并�?chuàng)造出復(fù)雜的磁鐵配置。這種磁鐵適用于起搏器工作的微型電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。此外，該技術(shù)最大限度地減少了生產(chǎn)浪費(fèi)，縮短了生產(chǎn)周期。該方法的描述和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《Magnetism and Magnetic Materials》雜志上。

制造復(fù)雜而小的磁鐵不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)，但它們在各種專門應(yīng)用中都有需求，主要是在醫(yī)療領(lǐng)域。用磁硬材料制造復(fù)雜形狀零件的最有前途的方法之一是3D打印。科學(xué)家們利用選擇性激光燒結(jié)方法成功地確定了永磁體3D打印的最佳參數(shù)。

這是一種增材制造方法，將粉末形式的磁性材料一層一層地?zé)�結(jié)成基于先前創(chuàng)建的三維模型的給定形狀的三維產(chǎn)品。這種技術(shù)使得在生產(chǎn)的幾乎所有階段都可以改變磁鐵的內(nèi)部特性成為可能。例如，改變化合物的化學(xué)成分、晶體的空間定向程度和晶體織構(gòu)，以及影響矯頑力(抗退磁)。

△SLM后的樣品圖像及打印策略方案。紅線代表激光束光斑軌跡；黑色虛線，光束焦點(diǎn)的移動(dòng)與激光關(guān)閉。

“生產(chǎn)小型磁鐵是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)�，F(xiàn)在它們只能通過把一塊大磁鐵切成小塊來制造，由于機(jī)械加工，大約一半的用過的材料變成了垃圾。同時(shí)，切削在近表層引入了大量的缺陷，使磁體的性能大大惡化。添加技術(shù)可以避免這種情況，并制造復(fù)雜的磁體。這樣的配置對于起搏器來說是必要的，因?yàn)橹挥性陲@微鏡下才能從獨(dú)立的磁鐵組裝電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。”研究人員Dmitry Neznakhin解釋道。

△為了打印磁鐵，科學(xué)家們向打印機(jī)中倒入特殊的鋼粉。來源：UrFU / Oksana Meleshchuk

目前，科學(xué)家們成功地制造出了薄約一毫米的永磁體，其性能與工業(yè)生產(chǎn)的磁體相似。底座是一種含有釤、鋯、鐵和鈦的粉末。該化合物具有適合永磁體的特性，但傳統(tǒng)的制造方法剝奪了該化合物的大部分性能。因此，科學(xué)家們決定看看新技術(shù)能否保存這些特性。

“當(dāng)使用傳統(tǒng)方法以這些化合物為基礎(chǔ)制備永磁體時(shí)，成品的性能與理論預(yù)測的相差甚遠(yuǎn)。我們發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)樣品時(shí)，加入從釤、銅和鈷合金中提取的可熔粉末，可以保留主要磁性粉末的磁性特征。這種合金的熔化溫度低于主要合金的性能變化，這就是為什么最終材料保持其矯頑力和密度，”Dmitry Neznakhin補(bǔ)充說。

△圖4 x = 0.2時(shí)SLM (Sm1−xZrx)Fe11Ti磁體的SEM圖像:(1)環(huán)氧樹脂;(2) 低熔點(diǎn)增材劑;(3) (Sm1-xZrx)Fe11Ti快淬合金，(4)相互作用區(qū)。

目前，科學(xué)家們正在建立硬磁性材料的微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的基本形成規(guī)律，并確定哪些磁性材料可以用激光燒結(jié)法制造永磁體。這包括測試燒結(jié)方法如何影響另一種已知的磁性基體的性能——一種釹、鐵和硼的合金。下一階段的工作將是生產(chǎn)適合實(shí)際應(yīng)用的大塊永磁體。

來源：Phase composition and magnetic properties of (Sm,Zr)Fe11Ti magnets produced by selective laser melting, Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2022). DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.169937