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塔林科技大學(xué)研究人員開發(fā)出3D打印電機磁芯的新方法

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導(dǎo)讀：磁芯是具有高磁導(dǎo)率的磁性材料片，它們通常應(yīng)用于引導(dǎo)和指導(dǎo)各種電氣系統(tǒng)和機器中的磁場，包括電磁鐵、變壓器、電動機、發(fā)電機、電感器和其他磁性組件。到目前為止，由于難以保存磁芯的效率，軟磁芯的3D打印一直是一個重大挑戰(zhàn)。

2022年5月24日，來自塔林科技大學(xué)和愛沙尼亞生命科學(xué)大學(xué)的研究人員正在研究使用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)軟磁芯。該研究小組提出了一個全面的基于激光的增材制造工作流程，他們聲稱可以產(chǎn)生優(yōu)于軟磁復(fù)合材料的磁性。

△鐵氧體電感器包括一個由銅線圈包圍的磁芯。圖片來自Jurgis Mankauskas。

3D打印電磁材料

具有電磁特性的金屬的增材制造是一個新興的研究領(lǐng)域。電機制造行業(yè)已經(jīng)在嘗試開發(fā)3D打印集成應(yīng)用部件，并認(rèn)為設(shè)計自由可以為行業(yè)的創(chuàng)新提供巨大幫助。例如，3D打印具有磁性和電氣性能的復(fù)雜功能部件可以為帶有嵌入式電機、執(zhí)行器、電路和齒輪箱的定制機器鋪平道路。這種定制機器可以在數(shù)字制造設(shè)施中生產(chǎn)、裝配和后處理，并且最大程度上減少材料浪費，因為許多裝配部件都是通過3D打印完成的。

不過，3D打印復(fù)雜的電機的大部件仍然沒有成為現(xiàn)實。這些設(shè)備往往具有挑戰(zhàn)性的要求，如小的空氣間隙以提高功率密度，更不用說需要多材料的裝配了。

因此，迄今為止的研究主要集中在更基本的部件上，如3D打印的軟磁轉(zhuǎn)子、銅線圈和氧化鋁熱導(dǎo)。軟磁芯也有很受關(guān)注，但在3D打印過程中盡量減少磁芯損失是一個有待跨越的障礙。

△一組打印的樣品立方體展示了激光功率和打印速度對磁芯結(jié)構(gòu)的影響。照片來自塔林科技大學(xué)。

一個優(yōu)化的3D打印工作流程

為了展示優(yōu)化的磁芯3D打印工作流程，研究人員確定了應(yīng)用的最佳工藝參數(shù)，包括激光功率、掃描速度、艙口間距和層厚。

△（a）Taltech公司的SLM Solutions SLM 280打印系統(tǒng)，（b）帶有定制再涂層器、粉末儲存器和縮小平臺的打印機構(gòu)建室，以及（c）定制再涂層器系統(tǒng)的截面。

愛沙尼亞大學(xué)的團(tuán)隊還研究了退火參數(shù)的影響，以實現(xiàn)最小的直流損耗、準(zhǔn)靜態(tài)、磁滯損耗和最高的磁導(dǎo)率。最佳的退火溫度被確定為1200℃，這導(dǎo)致了最高的相對密度為99.86%，最低的表面粗糙度為0.041毫米，最小的磁滯損失為0.8W/kg，以及極限屈服強度為420MPa。

△能量輸入對3D打印磁芯的表面粗糙度的影響。圖片來自塔林科技大學(xué)。

最終，研究人員認(rèn)定，基于激光的金屬增材制造是一種可行的3D打印電機應(yīng)用的磁芯材料的方法。就未來的工作而言，該團(tuán)隊打算對零件的微裂紋進(jìn)行表征，以深入了解晶粒大小和晶粒取向，以及它們對磁導(dǎo)率和強度的影響。研究人員還將進(jìn)一步研究如何優(yōu)化3D打印磁芯的幾何形狀以提高性能。該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "激光增材制造電機磁芯的設(shè)計和工藝/Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process forElectrical Machine Applications"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.mdpi.com/1996-1073/15/10/3665

3D打印和磁性材料的結(jié)合，催生了一大批新的應(yīng)用，不僅僅是電機。今年早些時候，由劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個國際科學(xué)家團(tuán)隊利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一套微型納米磁體。使用定制的3D打印工藝創(chuàng)建的納米磁體呈DNA啟發(fā)的雙螺旋形狀，并在粒子捕獲、成像技術(shù)和智能材料等領(lǐng)域顯示出前景。在其他地方，西班牙IMDEA納米科學(xué)研究所（一個跨學(xué)科研究中心）的研究人員最近開發(fā)了一種使用回收材料3D打印磁鐵的新方法。這項工作是作為對COVID-19大流行病造成的供應(yīng)鏈問題的一種回答，它使制造業(yè)缺少許多材料，包括制造磁鐵所需的材料。