[論文レビュー] Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B bonded magnets via extrusion-based additive manufacturing

Ling Li, Kodey Jones+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Magnetic Properties of Alloys参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、70 vol.%の希土類元素粉末を含む高密度な等方性Nd-Fe-B接着磁石を、押出usionベースの増加造造により実現した。密度は5.15 g/cm³に達し、強力な磁気特性（Br = 5.8 kG、Hci = 8.9 kOe、(BH)max = 7.3 MGOe）を実現した。このプロセスにより、低渦電流損失とポリマー被膜による向上した熱安定性を備えた、大型で複雑な形状の部品を迅速かつネットシェイプで製造可能である。

ABSTRACT

Isotropic bonded magnets with a high loading fraction of 70 vol.% Nd-Fe-B are fabricated via an extrusion-based additive manufacturing, or 3D printing system that enables rapid production of large parts for the first time. The density of the printed magnet is 5.15 g/cm3. The room temperature magnetic properties are: intrinsic coercivity Hci = 8.9 kOe (708.2 kA/m), remanence Br = 5.8 kG (0.58 Tesla), and energy product (BH)max = 7.3 MGOe (58.1 kJ/m3). The as-printed magnets are then coated with two types of polymers, both of which improve the thermal stability at 127 °C as revealed by flux aging loss measurements. Tensile tests performed at 25 °C and 100 °C show that the ultimate tensile stress (UTS) increases with increasing loading fraction of the magnet powder, and decreases with increasing temperature. AC magnetic susceptibility and resistivity measurements show that the 3D printed Nd-Fe-B bonded magnets exhibit extremely low eddy current loss and high resistivity. Finally, we show that through back electromotive force measurements that motors installed with 3D printed Nd-Fe-B magnets exhibit similar performance as compared to those installed with sintered ferrites.

研究の動機と目的

• 高希土類元素含有量を有する大型の等方性Nd-Fe-B接着磁石を、スケーラブルで迅速な製造方法で開発すること。
• 押出usionベースの3Dプリントを用いて、添加製造された接着磁石に高密度および最適な磁気特性を達成すること。
• 昇温下における印刷磁石の熱安定性および機械的特性を評価すること。
• モーター応用を想定し、電磁的特性（渦電流損失および抵抗率）を評価すること。
• 実際のモーター系における3Dプリント磁石の機能的性能を、逆起電力（back EMF）測定により実証すること。

提案手法

• 70 vol.%のNd-Fe-B粉末含有率を有する等方性Nd-Fe-B接着磁石を、押出usionベースの増加造造により成形した。
• 独自開発の3Dプリント装置を用いて、磁石-ポリマー原料の正確な積層を実現し、ニアネットシェイプ部品を製造した。
• 熱安定性および酸化耐性を向上させるために、2種類のポリマー被膜を適用した。
• 磁気特性は、バイブレーティング・サンプル・マグネトメーター（VSM）を用いて室温で測定した。
• 渦電流損失の評価のために、交流磁化率および電気抵抗率を測定した。
• プロトタイプモーターを用いた逆起電力（back EMF）測定により、焼結フェリット磁石と比較しての性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 押出usionベースの増加造造は、高希土類元素含有率および高密度な等方性Nd-Fe-B接着磁石を製造可能か？
• RQ2 3Dプリント磁石の磁気特性は、従来の接着磁石および焼結磁石と比較してどのように異なるか？
• RQ3 ポリマー被膜は、127 °Cにおける印刷Nd-Fe-B磁石の熱安定性をどの程度向上させるか？
• RQ4 温度上昇は、印刷磁石の引張強さにどのように影響を与えるか？
• RQ5 3DプリントNd-Fe-B磁石は、モーター応用に適した低渦電流損失および高抵抗率を示すか？

主な発見

• 3Dプリントされた等方性Nd-Fe-B接着磁石は、70 vol.%のNd-Fe-B粉末含有率を有し、高密度（5.15 g/cm³）を達成した。
• 磁石は室温での磁気特性として、Br = 5.8 kG（0.58 T）、Hci = 8.9 kOe（708.2 kA/m）、(BH)max = 7.3 MGOe（58.1 kJ/m³）を示した。
• ポリマー被膜の適用により、127 °Cにおけるフラックス老化損失が顕著に低減され、熱安定性の向上が確認された。
• 破壊引張応力は、磁石粉末含有率の上昇とともに増加したが、温度上昇に伴い低下し、特に100 °Cで顕著に低下した。
• 磁石は極めて低い渦電流損失および高い抵抗率を示し、動的電磁的応用に適していることが確認された。
• 逆起電力測定により、3DプリントNd-Fe-B磁石を用いたモーターは、焼結フェリット磁石を用いたものと同等の性能を示したことが確認された。