[논문 리뷰] Additive manufactured isotropic NdFeB magnets by stereolithography, fused filament fabrication, and selective laser sintering

Christian Huber, Gerald Mitteramskogler외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 07.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 동일한 NdFeB 흩어린 분말을 사용하여 고체층조(스테레오리소그래피, SLA)와 융합필라멘트성형(FFF), 선택적 레이저 소결(SLS)을 비교하여 이sovotropic NdFeB 자석을 3차원 프린팅한 최초의 사례를 제시한다. SLA는 가장 높은 잔류磁성도(388 mT)와 내부자화력(0.923 T)을 달성하였으며, 표면 품질과 기하 정밀도가 뛰어나, 센서 응용 분야에서 고정밀 자기 부품 제작 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스테레오리소그래피(SLA)를 이용한 이sovotropic NdFeB 자석의 적층 제조(AM) 가능성 탐색 및 실증. 이는 이전에 경자성 재료에 적용되지 않은 방법이다.
• 동일한 분말를 사용한 SLA, FFF, SLS를 통한 NdFeB 자석의 자기 성능 및 기하 정밀도 비교.
• 특히 속도 휠 센서와 같은 고정밀 응용 분야에 적합한 복잡한 자기 설계에 각 AM 방법의 적합성 평가.
• 매트릭스 결합 방식과 미세구조 변화의 차이로 인한 자기 성능, 즉 잔류자화도, 내부자화력, 밀도에 대한 제조 공정의 영향 평가.

제안 방법

• 스테레오리소그래피(SLA)는 UV 빛을 이용해 사진경화성 수지에 MQP-S-11-9 NdFeB 분말(38 µm d50, 구형 형태)을 혼합하여 층별로 경화시켜 이sovotropic NdFeB 자석을 3차원 프린팅하였다.
• 융합필라멘트성형(FFF)은 동일한 NdFeB 분말을 고온 노즐을 통해 고분자 수지에 고정된 필라멘트를 압출하여 층별로 적층하였다.
• 선택적 레이저 소결(SLS)은 고강도 레이저를 사용해 고분자 매트릭스 없이도 직접 분말을 융합하여 소결하였다.
• 모든 프린팅된 자석은 1.9 T 전자석에서 영구 작동 모드로 자화하여 자기 성능을 측정하였다.
• 스트레이 자기장 분포 평가를 위해 홀 프로브를 사용한 자기장 스캔을 실시하였으며, 특히 GMR 센서 호환성을 위해 x축 방향에 중점을 두었다.
• 모든 세 가지 AM 방법에 동일한 이sovotropic NdFeB 분말(Magnequench MQP-S-11-9)을 사용하여 일관된 재료 입력을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스테레오리소그래피(SLA)는 이sovotropic NdFeB 자석에 성공적으로 적용될 수 있는가? 이는 이 분야에서의 첫 번째 적용이다.
• RQ2 동일한 NdFeB 분말를 사용한 SLA, FFF, SLS로 제작된 자석의 자기 성능, 특히 잔류자화도(Br)와 내부자화력(Hcj)은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 SLA로 제작된 자석의 기하 정밀도와 표면 품질은 FFF 및 SLS에 비해 어떻게 되는가? 특히 복잡한 설계에 대해.
• RQ4 제조 공정이 미세구조와 자기 성능에 미치는 영향은 어느 정도이며, 특히 GMR 센서 호환 자기장 프로파일 측면에서 어떻게 평가되는가?

주요 결과

• SLA로 제작된 자석은 가장 높은 잔류자화도(388 mT)와 내부자화력(0.923 T)을 기록하여 FFF(344 mT, 0.918 T) 및 SLS(436 mT, 0.653 T)를 모두 능가하는 자기 성능을 보였다.
• SLA로 제작된 자석은 가장 우수한 표면 품질과 기하 정밀도를 보였으며, 최소 특징 크기 0.1 mm, 층 두께 60 µm를 확보하였다.
• FFF는 낮은 체적 밀도와 더 넓은 nozle 직경으로 인해 가장 낮은 잔류자화도(344 mT)를 보였다.
• SLS는 이론적 밀도가 가장 높았지만(100 wt.% 분말), 소결 과정 중 미세구조 변화로 인해 내부자화력이 감소(0.653 T)하였다.
• 모든 세 방법으로 제작된 자석은 평면 내 스트레이 자기장 성분(Bx 및 By)이 낮아, GMR 센서 응용 요구사항을 충족시켰다.
• SLA로 제작된 속도 센서용 백비어 자석은 최소한의 평면 성분과 높은 축 방향 자기장 균일성을 보이며 가장 유리한 자기장 프로파일을 나타내었다.