[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次将立体光刻（SLA）技术应用于各向同性NdFeB磁体的3D打印，与使用相同NdFeB粉末的熔融沉积成形（FFF）和选择性激光烧结（SLS）进行对比。SLA实现了最高的剩磁（388 mT）和矫顽力（0.923 T），并展现出更优的表面质量和几何精度，证明SLA在传感应用中高精度磁性元件制造方面的潜力。

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.

研究动机与目标

• 探索并展示利用立体光刻（SLA）技术制造各向同性NdFeB磁体的可行性，该方法此前未应用于硬磁材料领域。
• 比较使用相同粉末制备的NdFeB磁体在SLA、FFF和SLS三种工艺下的磁性能与几何保真度。
• 评估各AM工艺在复杂磁性结构设计中的适用性，特别是针对速度轮传感等高精度应用。
• 评估加工方法对磁性能的影响，包括剩磁、矫顽力和密度，原因在于基体结合方式和微观结构变化的差异。

提出的方法

• 采用立体光刻（SLA）技术，通过逐层紫外光固化含MQP-S-11-9 NdFeB粉末（d50 = 38 µm，球形形貌）的光敏树脂，实现各向同性NdFeB磁体的3D打印。
• 熔融沉积成形（FFF）通过加热喷嘴逐层挤出聚合物粘结的丝材，加工相同NdFeB粉末。
• 选择性激光烧结（SLS）直接利用高功率激光熔融NdFeB粉末，无需聚合物基体。
• 所有打印磁体均在1.9 T电磁铁中以持续工作模式进行磁化，以测量其磁性能。
• 使用霍尔探针进行磁场扫描，评估漏磁场分布，尤其关注x轴方向以适配GMR传感器。
• 所有三种AM工艺均使用相同的各向同性NdFeB粉末（Magnequench MQP-S-11-9），以确保材料输入的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 立体光刻（SLA）能否成功应用于3D打印各向同性NdFeB磁体，这是该领域首次尝试？
• RQ2 当使用相同NdFeB粉末时，SLA、FFF和SLS制备的磁体在磁性能（特别是剩磁Br和矫顽力Hcj）方面如何比较？
• RQ3 SLA制备的磁体在几何精度和表面质量方面与FFF和SLS相比如何，特别是在复杂结构设计中？
• RQ4 加工方法在多大程度上影响微观结构与磁性能，特别是在适配GMR传感器的磁场分布方面？

主要发现

• SLA制备的磁体具有最高的剩磁（388 mT）和矫顽力（0.923 T），在磁性能上优于FFF（344 mT，0.918 T）和SLS（436 mT，0.653 T）。
• SLA打印磁体展现出最佳的表面质量和几何精度，最小特征尺寸达0.1 mm，层高为60 µm。
• FFF因体积质量密度较低及喷嘴直径较大，导致剩磁最低（344 mT），且尺寸精度受限。
• SLS理论上可实现100 wt.%粉末密度，但因烧结过程中的微观结构变化导致矫顽力降低（0.653 T）。
• 三种方法制备的磁体在平面方向的漏磁场分量（Bx和By）均较低，满足GMR传感器应用要求。
• SLA打印的用于速度传感的背偏置磁体展现出最理想的磁场分布，具有最小的平面分量和最高的轴向磁场均匀性。