Imprimimos imanes de una forma dada en una impresora 3D

Imán de copa pequeña impresa Los imanes convencionales se fabrican tradicionalmente por sinterización. Esto limita su forma. Al desarrollar productos, los ingenieros y diseñadores tienen que elegir entre imanes de formas disponibles.

Por otro lado, han aparecido recientemente imanes poliméricos (polymagnets). Utilizan una mezcla de polvo magnético de NdFeB (diámetro de gránulo de aproximadamente 45 micras) y plástico o caucho, y se fabrican mediante moldeo por inyección. Estos imanes tienen una forma casi arbitraria. De hecho, puede preprogramar la forma del campo magnético y crear un imán permanente de la forma requerida solo para su diseño. Esta tecnología ya se usa en la industria, y los imanes también se usan para varios trucos .

Los imanes de polímero tienen un inconveniente. Por razones tecnológicas y económicas, están hechas de polvo isotrópico, por lo tanto, el valor de la fuerza (BH) ^máx . De tales imanes es dos o más veces menor que la fuerza de los imanes ordinarios. Sería posible usar un polvo magnético con mejores propiedades, pero en este caso se pierde el sentido económico de producir tales imanes, porque su costo aumenta enormemente y no todos necesitan un aumento (BH) ^máximo , es decir, un imán fuerte. Sin embargo, esto no se trata de eso.

Hasta la fecha, no ha habido tecnología por partes para la producción de imanes de polímero con una estructura compleja. Gracias a los ingenieros de la Universidad Técnica de Viena, apareció el primer trabajo en esta área.. Para la fabricación de imanes, los ingenieros utilizaron la impresión 3D (y para comparar la calidad, también se utilizó el moldeo por inyección convencional).


Ingenieros de la Universidad Técnica de Viena junto a una impresora, una computadora para calcular el campo magnético, una impresora 3D y un hilo para imprimir un imán de polímero Los

materiales para la impresión 3D y el moldeo por inyección se hacen procesando una mezcla comercial Neofer 25 / 60p . En este polvo, las partículas de NdFeB se mezclan en la poliamida 11, que es claramente visible en la fotografía desde el microscopio.


Polvo Neofer 25 / 60p en un microscopio electrónico de barrido

Poliamida 11: plástico estructural con mayor elasticidad, justo lo que necesita. En el polvo, los gránulos de NdFeB se mezclan al azar, lo que conduce a las propiedades isotrópicas del imán.

Las propiedades de los materiales se muestran en la tabla: polvo de partida, mezcla para impresión 3D y mezcla para fundición.



Un estudio utilizando un microscopio electrónico de barrido mostró que las partículas de NdFeB en los gránulos de polvo Neofer 25 / 60p tienen una forma esférica con un tamaño de aproximadamente 50 ± 20 μm. Para la impresión 3D, el material fue sometido a una atomización preliminar y tratamiento térmico. Es decir, tamizado y calentado. Los gránulos Neofer 25 / 60p de cinco milímetros se hilaron luego en hilos del diámetro deseado de 1,75 ± 0,1 mm.



Los ingenieros han elegido la impresora Builder 3Dproducido por la compañía holandesa Code P. Este es un modelo comercialmente disponible que se vende en Internet a precios que van desde € 1,675 para el modelo más pequeño hasta € 3,750 para el más grande. A los científicos les gustó el modelo con un área de trabajo de 220 × 210 × 164 mm y un espesor de capa de 0.05-0.3 mm. El diámetro de la boquilla es de 0,4 mm. Se cargaron hilos con un diámetro de 1,75 mm. Empíricamente, determinamos los parámetros de impresión óptimos indicados en la tabla.



Usando este método, los ingenieros imprimieron un imán de una forma dada con un campo magnético precalculado.



El diseño del imán se calculó resolviendo las ecuaciones de Maxwell, como se describe en los documentos científicos de Bruckner y colegas sobre la simulación macroscópica de imanes permanentes isotrópicos ( 1 , 2 ).



Inicialmente, el producto no tenía un campo magnético, pero estaba magnetizado: se colocó dentro de la bobina en un campo magnético con una inducción de 4 T.

Para verificar los resultados del experimento, la fuerza y ​​la directividad del campo magnético, se fabricó y calibró un dispositivo con un sensor Hall con un rango de medición de ± 130 mT. Permitió medir la forma 3D del campo magnético fuera del imán. La forma casi coincidió con la forma calculada del campo de un imán ideal de una simulación por computadora.


Comparación de campos magnéticos reales y calculados a lo largo de todos los ejes.

El producto de forma compleja con un tamaño de 7 × 5 × 5.5 mm se imprime en capas de 0.1 mm de alto con un grosor de elemento de 0.8 mm. La fuerza del imán resultante indica que la impresión 3D es adecuada para la fabricación de imanes permanentes con formas complejas. Tales imanes no son inferiores en sus propiedades a los imanes poliméricos hechos del mismo material por moldeo por inyección. Además, tienen menos masa.

Los investigadores señalan que algunos dispositivos requieren imanes permanentes de una forma especial. Por ejemplo, un imán que produce un campo fuerte en una dirección, pero un campo tan débil como sea posible en la dirección ortogonal.

Lo más notable es que, utilizando el método descrito, podemos producir imanes no solo de forma arbitraria, sino que también utilizamos una amplia variedad de materiales: desde aleaciones magnéticas blandas hasta NdFeB magnético duro o aleaciones de ferrita.

La capacidad de imprimir localmente en su taller imanes de cualquier forma a partir de materiales con propiedades magnéticas especialmente seleccionadas le permite hacer imanes que no están a la venta. Y que generalmente son imposibles de producir por métodos de producción tradicionales.

El trabajo científico de especialistas austriacos se publicó el 17 de octubre de 2016 en la revista Applied Physics Letters (doi: 10.1063 / 1.4964856).

Source: https://habr.com/ru/post/es398713/