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ORNL将尼龙与稀土材料混合打印出永磁材料

稀土永磁材料是第三代永磁材料,主要包括稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物,主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。后者钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料,其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高,不易碎,有较好的机械性能,合金密度低,有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。

随着3D打印技术进一步打开复合材料的制造空间,美国国家橡树岭实验室-ORNL新近在通过3D打印的方法制造钕铁硼稀土永磁材料方面有了自己的小“心得”。

稀土永磁材料按生产工艺不同分为三种:烧结钕铁硼、粘结钕铁硼、注塑钕铁硼。粘结钕铁硼是将钕铁硼粉末与树脂、塑胶或低熔点金属等粘结剂均匀混合,然后用压缩、挤压或注射成型等方法制成的复合型钕铁硼永磁体。产品一次成形,无需二次加工、可直接做成各种复杂的形状。粘结钕铁硼的各个方向都有磁性,可以加工成钕铁硼压缩模具和注塑模具。精密度高、磁性能极佳、耐腐蚀性好、温度稳定性好。

如今,美国国家橡树岭实验室-ORNL在稀土永磁材料的制备工艺上开创了3D打印的先河,正如上文所述,可以通过将粘结钕铁硼与其他材料粘结挤出的方式来制造稀土永磁材料,此次ORNL将这一制造原理“嫁接”到了其为业界所熟知的BAAM制造系统中。有意思的是,与我们常见的稀土永磁偏小巧精致的身材不一样的是,ORNL制造的稀土永磁产品是名副其实的“大块头”,而“大块头”有“大智慧”,这将有可能打开另外的商业应用空间。

ORNL通过将NdFeB稀土粉末与聚合物混合在一起,然后通过熔融挤出头将材料挤压出来,一层一层复合而成产品的形状。复合颗粒中65%体积的材料为各向同性的NdFeB磁粉,35%体积的材料为聚酰胺(尼龙)。

尼龙是一种很常见的、用途广泛的材料,在3D打印行业通常采用的是选择性激光烧结的3D打印方法来制造尼龙产品。而ORNL则采用的是类似与FDM技术,将材料融化挤压出来。

我们通常认为ABS长丝是最适合熔融挤出的打印方式,但在这项研究中显示,尼龙颗粒与稀土颗粒的混合打印比ABS长丝更流畅,并呈现出高精度的表面质量。

既然谈到ORNL打印的永磁材料是个“大块头”,这还与打印设备有关,这台3D打印机是ORNL的拿手看家设备:大面积增材制BAAM系统,BAAM系统有一个庞大的加工区域,可以达到3.56m×1.65m×0.86m的建设量,单螺杆挤出机被架设到龙门结构的上方,打印温度约270°C。

除了不需要模具来制造永磁材料,此外,ORNL发现他们的BAAM打印工艺还比传统制造方法节约30%到50%的材料,因为那些没有被用过的材料可以通过循环被再次使用。

考虑到钕铁硼稀土永磁体是地球上最强大的永磁,ORNL的这一创新在市场应用方面的潜力不容置疑。虽然还处在设计迭代阶段, 而ORNL认为他们将颠覆当前高效电动机和发电机的设计制造规则。

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