CMI entwickelt neue Legierung für Magnet-3D-Druck

Das Critical Materials Institute (CMI), ein Institut des US-Energieministerium, nutzt 3D-Laser-Metalldruck, um eine wirtschaftlichere sowie kostengünstige Methode zur Herstellung von 3D-gedruckten Magneten zu entwickeln.

Die Welt der additiven Fertigung ist mittlerweile kaum mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Vor allem im Metall-3D-Druck lesen wir fast täglich von neuen Innovationen. Nun arbeitet auch das US-amerikanische Critical Materials Institute an einer solchen Innovation.

CMI machte es sich zur Aufgabe, eine günstigere sowie wirtschaftlichere Legierung für den 3D-Druck von Magneten herzustellen. Mit dem Einsatz von 3D-Laser-Metalldruck will das amerikanische Unternehmen vorhandene, meist teure Permanentmagnetmaterialien wie Seltenerdmetall-Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) optimieren und eine günstigere Alternative schaffen.

Innerhalb der Forschungsarbeiten entwickelte CMI eine neue Magnet-Legierung, bestehend aus den Materialien Kupfer, Kobalt, Eisen sowie Cer, einer seltenen jedoch weniger teuren Erde. Um verschiedene Mischverhältnisse dieser Legierung zu testen, 3D-druckten die CMI-Forscher vorab einige Proben.

“Dies war ein bekanntes Magnetmaterial, aber wir wollten es noch einmal überprüfen, um zu sehen, ob wir außergewöhnliche magnetische Eigenschaften finden konnten”, sagte CMI-Wissenschaftler Ryan Ott. “Mit vier Elementen gibt es einen großen Raum für Kompositionen, in denen man herumjagen kann. Der 3D-Druck beschleunigt den Suchprozess erheblich.”

Normalerweise beträgt die Produktionszeit für Magnete mit herkömmlichen Produktionsmethoden einige Wochen. Mit dem Einsatz von additiver Fertigung konnte diese mehrwöchige Zeitpanne auf nur zwei Stunden reduziert werden. Nach dem 3D-Druck der Magnet-Proben aus CMI’s neuer Legierung konnten die Forscher die besten Zusammensetzungen ermitteln und schufen unter Verwendung konventioneller Gießmethoden weitere Magnet-Proben. Diese wurden in weiterer Folge mit den Originalen verglichen.

“Es ist sehr schwierig, den Laserdruck zu nutzen, um potenzielle Permanentmagnetphasen für Massenmaterialien zu identifizieren, weil die notwendige Mikrostruktur entwickelt werden muss”, sagte CMI-Wissenschaftlerin Ikenna Nlebedim. “Aber diese Forschung zeigt, dass die additive Fertigung als ein effektives Werkzeug zur schnellen und wirtschaftlichen Identifizierung vielversprechender Permanentmagnetlegierungen verwendet werden kann.”

Die Erfolge dieser Forschung wurden auch unter dem Titel “Rapid Assessment of the Ce-Co-Fe-Cu System for Permanent Magnetic Applications” veröffentlicht. Ein Auszug dieses wissenschftlichen Artikels verrät uns mehr über den genauen Ablauf des Entwicklungsprozesses:

“Anordnungen von Massenproben mit kontrollierten Zusammensetzungen wurden durch Laser-Engineering-Netzformung (LENS) synthetisiert, indem verschiedene Verhältnisse von Legierungspulvern in einen Schmelzpool eingespeist wurden, der durch einen Laser erzeugt wurde. Auf der Grundlage der Bewertung der magnetischen Eigenschaften der mit LENS bedruckten Proben wurden lichtbogengeschmolzene und gegossene Barren mit variierenden Zusammensetzungen von Fe (5-20 Atom-%) und Co (60-45 Atom-%) unter Beibehaltung einer konstanten Ce ( 16 Atom-%) und Cu (19 Atom-%). Die Entwicklung der Mikrostruktur und der Phasen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und ihre Abhängigkeit von magnetischen Eigenschaften werden in gegossenen und wärmebehandelten Proben analysiert. Sowohl in den LENS-gedruckten als auch in den Gussproben finden wir, dass die besten magnetischen Eigenschaften einer überwiegend einphasigen Ce (CoFeCu) 5-Mikrostruktur entsprechen, in der eine hohe Koerzitivfeldstärke (Hc> 10 kOe) ohne mikrostrukturelle Verfeinerung erreicht werden kann.”