Друкуємо на 3D-принтері магніти заданої форми
Прості магніти зазвичай роблять шляхом спікання. Це обмежує їхню форму. Інженерам і конструкторам розробки виробів доводиться вибирати між магнітами доступних форм.
З іншого боку, нещодавно виникли полімерні магніти (полімагніти). Вони використовують суміш магнітного порошку NdFeB (діаметр гранул близько 45 мкм) і пластику чи гуми, а виготовляють литтям під тиском. У цих магнітів майже довільна форма. Фактично, ви заздалегідь можете запрограмувати форму магнітного поля і виготовити постійний магніт необхідної форми саме для своєї конструкції. Така технологія вже використовується у промисловості, а магніти застосовують у тому числі для різних трюків.
У полімерних магнітів є недолік. З технологічних та економічних причин їх виготовляють з ізотропного порошку, тому максимальна енергія продукту - значення(BH) max- таких магнітів у два і більше разів поступається максимальній енергії звичайних магнітів. Можна було б використовувати магнітний порошок з кращими властивостями, але в цьому випадку втрачається економічний сенс виробництва таких магнітів, тому що їхня вартість сильно зростає, а збільшений(BH) max, тобто сильний магніт, потрібен далеко не всім . Втім, не про це.
До цього часу не існувало технології штучного виробництва полімерних магнітів зі складною структурою. Завдяки інженерам з Віденського технічного університету з'явилася перша робота у цій галузі. Для виготовлення магнітів інженери застосували 3D-друк (а для порівняння якості ще й звичайне лиття під тиском).
Матеріали для 3D-друку та лиття під тиском виготовлені обробкою комерційної суміші Neofer 25/60p. У цьому порошку частинки NdFeB замішані поліамід 11, що добре видно на фотографії з мікроскопа.
Поліамід 11 — конструкційна пластмаса підвищеної еластичності саме те, що потрібно. У порошку гранули NdFeB розмішані випадковим чином, що призводить до ізотропних властивостей магніту.
Властивості матеріалів показані у таблиці: вихідний порошок, суміш для 3D-друку та суміш для лиття.
Вивчення скануючого тунельного мікроскопа показало, що частинки NdFeB в гранулах порошку Neofer 25/60p мають сферичну форму розміром приблизно 50±20 мкм. Для 3D-друку матеріал піддали попередньої атомізації та термообробки. Тобто просіяли та розігріли. П'ятиміліметрові гранули Neofer 25/60p потім сформували нитки потрібного діаметру 1,75±0,1 мм.
Інженери вибрали принтер Builder 3D виробництва голландської компанії Code P. Це комерційно доступна модель, яка продається в інтернеті за ціною від 1675 євро за найменшу модель до 3750 євро за найбільшу. Вченим сподобалася модель із робочою зоною 220×210×164 мм та товщиною шару 0,05−0,3 мм. Діаметр сопла - 0,4 мм. До нього завантажили нитки діаметром 1,75 мм. Емпіричним шляхом встановили оптимальні параметри друку, наведені в таблиці.
Таким методом інженери надрукували магніт заданої форми із заздалегідь розрахованим магнітним полем.
Проект магніту розрахований рішенням рівнянь Максвелла, як описано в наукових працях Брюкнера з колегами з макроскопічної симуляції постійних ізотропних магнітів (1, 2).
Спочатку виріб не мав магнітного поля, але його намагнітили - помістили всередину котушки в магнітне поле з індукцією 4 Т.
Щоб перевірити результати експерименту, силу та спрямованість магнітного поля, виготовили та відкалібрували пристрій з датчиком Холла з діапазоном вимірювання ±130 мТ. Воно дозволило виміряти 3D-форму магнітного поля поза магніту. Форма майже збіглася з розрахунковою формою поля ідеального магніту з комп'ютерної симуляції.
Виріб складної форми розміром 7×5×5,5 мм надруковано шарами висотою 0,1 мм із товщиною елементів 0,8 мм. Міцність магніту вказує на те, що 3D-друк цілком підходить для виготовлення постійних магнітів складної форми. Такі магніти не поступаються своїми властивостями полімерним магнітам, виготовленим з такого ж матеріалу методом лиття під тиском. До того ж у них менша маса.
Дослідники відзначають, що деякі пристрої необхідні постійні магніти спеціальної форми. Наприклад, магніт, який виробляє сильне поле в одному напрямку, але якомога слабкіше поле в ортогональному напрямку.
Найпрекрасніше, що використовуючи описаний метод, ми можемо виготовляти магніти не тільки довільної форми, але також застосовувати різні матеріали: від магнітно-м'яких сплавів до твердо-магнітних NdFeB або феритових сплавів.
Можливість локально друкувати у себе в майстерні магніти будь-якої форми з матеріалів зі спеціально підібраними магнітними властивостями дозволяє робити магніти, яких немає у продажу. І які взагалі неможливо виготовити традиційними виробничими методами.