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3D 打印定制化磁场结构

3D 打印定制化磁场结构

供稿人:池金春, 李涤尘   发布日期:2017-10-09
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近日,奥地利维也纳大学的Christian Huber等人通过3D打印的方法,使用变比例的聚合物和磁性粉末混合材料,首次制作出具有梯度材料和自由结构的磁铁,实现了其外部磁场的定制化制造。目前除了3D打印以外,这样的可控梯度材料和自由结构一体化的磁性体是不可能用常规方法产生的。

Christian Huber在实验中采用了纯聚酰胺(PA12)长丝作为载体,采用具有永磁性的铁氧体(Sr,Ba)和稀土材料(NdFeB)粉末颗粒作为填充体,并使用FDM(Fused Deposition Modeling)熔融挤出成形的3D打印工艺实现三维零件的自由成形。其独特性在于在FDM设备中采用了混合挤出头,实现填充剂含量在40-65体积百分比范围内的可调节混合与挤出,在打印过程中逐层调节饱和磁化强度,以获得所制造的磁体所需的外部磁场, 从而实现了一种具有可变磁化合物分数分布的3D打印聚合物粘结磁体的方法。

为了实现预定义的外部磁场,作者基于FEM(有限元)库FEniCS13开发了FEM模型,用于模拟计算实现该外部磁场所需要的磁性化合物混合比例和空间分布,从而优化在打印过程中填充体的比例和空间定位。实验结果显示该模拟和实际磁场测量之间的极好的一致性。

到目前为止,作者实现了在打印方向(Z方向)上的具有可变磁性化合物分数梯度分布,下一步工作预计将实现在横向(X, Y 方向)的混合材料的连续梯度分布以及更复杂结构的自由成形,从而更大程度上3D打印出在给定区域中产生预定义磁场的磁体。这项技术具有快速、灵活、成本低的优点,也为磁性传感器的应用开辟了新的可能性。

参考文献:

  1. Huber, Christian, et al. "3D Printing of Polymer-Bonded Rare-Earth Magnets With a Variable Magnetic Compound Fraction for a Predefined Stray Field." Scientific reports 7.1 (2017): 9419.
  2. Huber, C., et al. "3D print of polymer bonded rare-earth magnets, and 3D magnetic field scanning with an end-user 3D printer." Applied Physics Letters 109.16 (2016): 162401.