3D打印技術(shù)在電機(jī)領(lǐng)域的運用

磁芯是一種具有高磁導(dǎo)率的片狀磁性材料。它們通常被用于各式電氣系統(tǒng)和機(jī)器中的磁場引導(dǎo)，包括電磁鐵、變壓器、電機(jī)、發(fā)電機(jī)、電感器和其他磁性組件。

至今，由于磁芯效率較難保持，所以磁芯的3D打印問題一直是個挑戰(zhàn)。但有研究團(tuán)隊現(xiàn)已提出一種全面基于激光的增材制造工作流程，稱該工作流程可以產(chǎn)生優(yōu)于軟磁復(fù)合材料磁性的產(chǎn)品。

3D打印電磁材料
具有電磁特性金屬的增材制造是一個新興研究領(lǐng)域。一些電機(jī)研發(fā)團(tuán)隊正在開發(fā)和集成自己的3D打印組件并將其應(yīng)用到系統(tǒng)中，設(shè)計自由是創(chuàng)新的關(guān)鍵之一。

舉個例子，具有磁性和電氣特性的3D打印功能性復(fù)雜部件能為定制的嵌入式電機(jī)、執(zhí)行器、電路及變速箱鋪平道路。這樣的機(jī)器可以在數(shù)字化的制造設(shè)備中生產(chǎn)，只需較少的裝配與后處理等，因為許多部件都是3D打印。但礙于種種原因，3D打印大型復(fù)雜電機(jī)部件這一愿景并未實現(xiàn)。主要是因為設(shè)備方面有某些需要達(dá)到具有挑戰(zhàn)性的要求，例如用于提高功率密度的小氣隙等，多材料組件的問題更不用說了。因此到目前為止，研究主要集中在更“基本”的部件上，如3D打印軟磁轉(zhuǎn)子，銅線圈和氧化鋁導(dǎo)熱器。當(dāng)然軟磁芯也是重點之一，但在3D打印過程中最需要解決的障礙是怎樣最大限度地減少磁芯損耗。

△一組印刷的樣品立方體，展示了激光功率和印刷速度對磁芯結(jié)構(gòu)的影響。圖片來源：塔林理工大學(xué)

優(yōu)化后的3D 打印工作流程
為了展示優(yōu)化后的3D打印磁芯工作流程，科研人員確定了應(yīng)用的最佳工藝參數(shù)，包括激光功率、掃描速度、艙口間距和層厚度。并且經(jīng)研究得出退火參數(shù)的影響，以實現(xiàn)最小的直流損耗、準(zhǔn)靜態(tài)、遲滯損耗和最高磁導(dǎo)率。確定最佳退火溫度為1200°C，相對密度最高為99.86%，最低表面粗糙度為0.041mm，滯回?fù)p失最小為0.8W/kg，極限屈服強(qiáng)度為420MPa。最終經(jīng)研究人員證實，基于激光的金屬增材制造是一種可行的3D打印可應(yīng)用于電機(jī)的磁芯材料方法。在今后的研究工作中，科研人員打算表征零件的微觀結(jié)構(gòu)，以了解晶粒尺寸和晶粒取向，以及它們對磁導(dǎo)率和強(qiáng)度的影響。研究人員還將進(jìn)一步研究優(yōu)化3D打印核心幾何形狀的方法，以提高性能。

△能量輸入對3D打印磁芯表面粗糙度的影響

3D打印技術(shù)與磁性結(jié)合的前景
3D打印和磁性的結(jié)合給一系列新的應(yīng)用領(lǐng)域帶來啟發(fā)，不僅僅是電機(jī)。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)隊使用3D打印技術(shù)開發(fā)了一套微型納米磁鐵。這種納米磁鐵采用定制的3D打印工藝，形狀類似于DNA雙螺旋，在粒子捕獲、成像技術(shù)和智能材料等領(lǐng)域顯示了它的發(fā)展前景。

在其它地區(qū)，西班牙跨學(xué)科研究中心IMDEA納米科學(xué)研究所的研究人員最近開發(fā)了一種利用回收材料進(jìn)行3D打印磁鐵的新方法。這項工作是為了解決全球疫情期間的供應(yīng)鏈問題，制造業(yè)材料的缺乏包括制造磁鐵所需的材料。