[論文レビュー] Additive manufactured isotropic NdFeB magnets by stereolithography, fused filament fabrication, and selective laser sintering

Christian Huber, Gerald Mitteramskogler+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2019

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、同じNdFeB粉末を用いて、立体造形法（SLA）が、磁気的性質と幾何学的忠実度の観点から、融解フィラメント積層造形（FFF）および選択的レーザー焼結（SLS）と比較された、等方性NdFeB磁石の3次元積層造形における初の応用を提示している。SLAは、表面品質と幾何学的正確性に優れ、残留磁束密度（388 mT）と保磁力（0.923 T）が最高を記録した。これは、センシング応用における高精度磁気部品に向けたSLAの可能性を示している。

ABSTRACT

Magnetic isotropic NdFeB powder is processed by the following additive manufacturing methods: (i) stereolithography (SLA), (ii) fused filament fabrication (FFF), and (iii) selective laser sintering (SLS). For the first time, a stereolithography based method is used to 3D print hard magnetic materials. FFF and SLA use a polymer matrix material as binder, SLS sinters the powder directly. All methods use the same hard magnetic NdFeB powder material. Complex magnets with small feature sizes in a superior surface quality can be printed with SLA. The magnetic properties for the processed samples are investigated and compared. SLA can print magnets with a remanence of 388 mT and a coercivity of 0.923 T. A complex magnetic design for speed wheel sensing applications is presented and printed with all methods.

研究の動機と目的

• 立体造形法（AM）を用いて、これまで硬磁性材料に応用されていなかった立体造形法（SLA）を用いて、等方性NdFeB磁石の作製可能性を検討・実証すること。
• 同一の粉末を用いてSLA、FFF、SLSで作製されたNdFeB磁石の磁気的特性と幾何学的忠実度を比較すること。
• 特に、回転速度センサなど高精度応用に適した複雑な磁気設計に対して、各AM手法の適合性を評価すること。
• マトリックス結合の違いや微細構造の変化に起因する、処理法が残留磁束密度、保磁力、密度といった磁気的特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 立体造形法（SLA）を用いて、光硬化性樹脂に混合したMQP-S-11-9 NdFeB粉末（d50：38 µm、球状形態）を、UV光を用いて層間で固化させることで、等方性NdFeB磁石を3次元積層造形した。
• 融解フィラメント積層造形（FFF）は、同じNdFeB粉末をポリマーで結合させたフィラメントを加熱ノズルから押し出し、層間積層を実行した。
• 選択的レーザー焼結（SLS）は、ポリマーマトリックスを用いずに、高出力レーザーを用いてNdFeB粉末を直接焼結した。
• すべての積層磁石は、1.9 Tの電磁石を永久作動モードで使用して磁化され、磁気的特性が測定された。
• ストレイル場分布の評価のため、ホールプローブを用いた磁場スキャンが実施され、特にGMRセンサとの適合性を考慮したx軸方向の分布が注目された。
• すべての3つのAM手法に同一の等方性NdFeB粉末（Magnequench MQP-S-11-9）が使用され、材料入力の一貫性が確保された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 立体造形法（SLA）が、これまでに応用例のない分野である等方性NdFeB磁石の3次元積層造形に成功するか？
• RQ2 同一のNdFeB粉末を用いた場合、SLA、FFF、SLSで作製された磁石の磁気的特性、特に残留磁束密度（Br）と保磁力（Hcj）はどのように比較されるか？
• RQ3 SLAがFFFおよびSLSと比較して、複雑な形状の磁石において幾何学的正確性と表面品質に優れているか？
• RQ4 処理法の違いが、微細構造および磁気的特性に与える影響、特にGMRセンサ適合性を持つ磁場プロファイルの観点から、どの程度であるか？

主な発見

• SLAで作製された磁石は、残留磁束密度388 mT、保磁力0.923 Tを記録し、FFF（344 mT、0.918 T）およびSLS（436 mT、0.653 T）を上回る磁気的性能を示した。
• SLAで作製された磁石は、表面品質と幾何学的正確性が最も高く、最小特徴寸法0.1 mm、レイヤー高さ60 µmを達成した。
• FFFは、体積密度が低く、ノズル径が大きいため寸法精度が制限され、残留磁束密度が最低（344 mT）であった。
• SLSは理論的密度が最高（100 wt.% 粉末）であったが、焼結中の微細構造変化により保磁力が低下（0.653 T）した。
• 3つの手法すべてで、平面内方向のストレイル場成分（BxおよびBy）が低く抑えられ、GMRセンサ応用の要件を満たした。
• SLAで作製された回転速度センシング用バックバイアス磁石は、平面内成分が最小限で、軸方向の磁場均一性が最も優れていた。