Wissenschaftler der Uralischen Föderalen Universität und der Uralischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften ermitteln die optimalen Bedingungen für den 3D-Druck von Dauermagneten aus hartmagnetischen Verbindungen auf der Basis von Seltenerdmetallen. Dadurch wird es möglich, mit der Produktion von Magneten in kleinem Maßstab zu beginnen, ihnen während der Herstellung eine beliebige Form zu geben und komplexe Konfigurationen von Magneten zu erstellen.
Solche Magnete eignen sich für Miniatur-Elektromotoren und elektrische Generatoren, mit denen Herzschrittmacher arbeiten. Darüber hinaus minimiert die Technologie den Produktionsabfall und hat einen kürzeren Produktionszyklus. Eine Beschreibung der Methode und experimentelle Ergebnisse werden im Journal of Magnetism and Magnetic Materials vorgestellt.
Die Herstellung komplexer und kleiner Magnete ist keine leichte wissenschaftliche und technische Aufgabe, aber sie sind in verschiedenen Spezialanwendungen, vor allem in der Medizin, gefragt. Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten zur Herstellung komplex geformter Teile aus hartmagnetischen Materialien ist der 3D-Druck. Uraler Wissenschaftlern ist es gelungen, die optimalen Parameter für den 3D-Druck von Dauermagneten mit Hilfe des selektiven Lasersinterns zu bestimmen. Dabei handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren, bei dem magnetisches Material in Form von Pulver auf der Grundlage eines zuvor erstellten 3D-Modells Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Produkt mit einer bestimmten Form gesintert wird. Diese Technologie ermöglicht es, die inneren Eigenschaften des Magneten in fast allen Phasen der Produktion zu verändern. So lassen sich beispielsweise die chemische Zusammensetzung der Verbindung, der Grad der räumlichen Ausrichtung der Kristallite und die kristallografische Textur ändern und die Koerzitivfeldstärke (Widerstand gegen Entmagnetisierung) beeinflussen.
“Die Herstellung kleiner Magnete ist eine schwierige Aufgabe. Derzeit werden sie nur durch Zerschneiden eines großen Magneten hergestellt, wobei durch die mechanische Bearbeitung etwa die Hälfte des verwendeten Materials zu Abfall wird. Außerdem entstehen durch das Schneiden viele Defekte in der oberflächennahen Schicht, wodurch sich die Eigenschaften des Magneten enorm verschlechtern. Mit additiven Technologien lässt sich dies vermeiden und es können komplexe Magnete hergestellt werden, beispielsweise mit einem Nordpol und zwei räumlich getrennten Südpolen oder ein Magnet mit fünf Südpolen und fünf Nordpolen auf einmal. Solche Konfigurationen werden für Herzschrittmacher benötigt, bei denen der Rotor für einen Elektromotor nur unter dem Mikroskop aus einzelnen Magneten zusammengesetzt werden kann”, erklärt Dmitry Neznakhin, außerordentlicher Professor am Department für Magnetismus und magnetische Nanomaterialien und Forscher in der Abteilung für Festkörpermagnetismus an der UrFU.
Derzeit ist es den Wissenschaftlern gelungen, dünne, etwa einen Millimeter große Dauermagnete herzustellen, deren Eigenschaften denen von industriell hergestellten Magneten ähneln. Als Basis diente ein Pulver, das Samarium, Zirkonium, Eisen und Titan enthält. Die Verbindung hat geeignete Eigenschaften für Dauermagnete, aber durch die herkömmlichen Herstellungsverfahren verliert sie die meisten ihrer Eigenschaften. Daher beschlossen die Wissenschaftler zu prüfen, ob die Eigenschaften mit der neuen Technologie erhalten werden können.
“Bei der Herstellung von Dauermagneten auf der Grundlage dieser Verbindungen mit herkömmlichen Methoden sind die Eigenschaften der fertigen Produkte weit von den theoretisch vorhergesagten entfernt. Wir fanden heraus, dass beim Sintern einer Probe durch Hinzufügen eines schmelzbaren Pulvers aus einer Legierung aus Samarium, Kupfer und Kobalt die magnetischen Eigenschaften des Hauptmagnetpulvers erhalten bleiben. Diese Legierung schmilzt bei niedrigeren Temperaturen, als sich die Eigenschaften der Hauptlegierung ändern, weshalb das endgültige Material seine Koerzitivkraft und Dichte beibehält”, fügt Dmitry Neznakhin hinzu.
Derzeit ermitteln die Wissenschaftler die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten für die Bildung der Mikrostruktur und der magnetischen Eigenschaften hartmagnetischer Werkstoffe und bestimmen, welche magnetischen Werkstoffe für die Herstellung von Dauermagneten mit dem Lasersinterverfahren verwendet werden können. Dabei wird auch geprüft, wie sich das Sinterverfahren auf die Eigenschaften einer anderen bekannten Basis für Magnete auswirkt – einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor. Die nächste Stufe der Arbeit wird die Herstellung von massiven Dauermagneten sein, die für praktische Anwendungen geeignet sind. Die Forschung wurde von der Russischen Wissenschaftsstiftung unterstützt (Zuschuss Nr. 21-72-10104).
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