3D TISKANJE TRAJNIH MAGNETOV

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

3D TISKANJE TRAJNIH MAGNETOV

DIPLOMSKO DELO Robert Buh

Ljubljana, 2021

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJSKO INŽENIRSTVO

3D TISKANJE TRAJNIH MAGNETOV

DIPLOMSKO DELO

Robert Buh

M

ENTOR

: izr. prof. dr. Marjan Marinšek

Ljubljana, 2021

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisani Robert Buh sem avtor diplomskega dela z naslovom: 3D tiskanje trajnih magnetov

S svojim podpisom zagotavljam, da:

● je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr.

prof. dr. Marjana Marinška

● sem poskrbel, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v

predloženem diplomskem/magistrskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

● se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

● sem poskrbel za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

● je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, datum Podpis avtorja:

diplomskega dela, skrbniku Benjaminu Podmiljšaku in Inštitutu Jožef Stefan za mentorstvo pri delu, prijateljem, družini in Evi za potrpežljivost in skrb.

3D tiskanje trajnih magnetov Povzetek:

Trenutne oblike magnetnih materialov za elektromotorje so zelo enostavne zaradi tehničnih in ekonomskih razlogov. Tehnologije dodajalnih procesov, med njimi tudi 3D tiskanje, pomenijo korak k novejšim, bolj naprednim oblikam elektromotorjev. Za to nalogo moramo imeti ustrezen magnetni material, ki odgovarja izbranim parametrom obratovanja. Tak material nato z ustrezno tehniko 3D tiska pretvorimo v trajni magnet v poljubnih dimenzijah ali oblikah, ki jih je z ustaljenimi metodami zelo težko izdelati ter ob tem ne pridelamo veliko odpadkov.

Za uspešno vpeljavo 3D procesov v industrijo morajo tridimenzionalno natisnjeni izdelki konkurirati konvencionalno proizvedenim. Za ustrezno primerjavo sem iz dosedanjih študij 3D tiska izbral najbolj obetavne in jih primerjal z obstoječimi po času in natančnosti izdelave, fizikalnih in mehaničnih lastnostih magnetov ter magnetnih lastnostih. Za zaključek sem poskusil napovedati, če se bodo tehnologije 3D tiska uspešno integrirale v industrijo ali pa bodo ostale na nivoju izdelovanja protitopov in modeliranju.

Ključne besede: magnet, 3D tiskanje, elektromotor, trajni magnet

3D printing of permanent magnets Abstract:

For its technical and economic reasons, current designs of magnetic materials for electromotors are fairly simple. Technology of add-on production, involving 3D printing, represents a step towards newer and more advanced electric motor shapes. For that we have to provide a certain type of magnetic material, which is transformed into a permanent magnet via 3D printing, which is capable of creating certain shapes of magnets, nearly impossible to create with conventional methods, and produce next to zero waste.

If we want 3D printed permanent magnets to become a part of the industry, three- dimensional products must compete with conventional products. To have an adequate comparison, I compared magnets, made by add-on production with conventional production, by comparing creation time, accuracy, physical, mechanical and magnetic properties. To conclude I tried to predict whether 3D printing technologies will succesfully integrate themselves in the industry or will remain as a prototype and modelling tool.

Keywords: magnet, 3D printing, electric motor, permanent magnet

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 3D tiskanje ... 1

1.2 Trajni magneti ... 2

2 Namen dela ... 4

3 Teoretične osnove ... 5

3.1 Trajni magneti ... 5

3.1.1 Magnetizem in histereza ... 5

3.1.2 Trdi in mehki magneti ... 7

3.1.3 Osnova magnetizma ... 8

3.1.4 Intrinzične lastnosti ... 9

3.1.5 Ekstrinzične lastnosti ... 9

3.1.6 Magnetne domene... 10

3.1.7 Vrste magnetnih materialov... 11

3.1.7.1 Diamagnetizem ... 12

3.1.7.2 Paramagnetizem ... 12

3.1.7.3 Feromagnetizem ... 12

3.1.7.4 Antiferomagnetizem ... 12

3.1.7.5 Ferimagnetizem ... 13

3.2 3D tiskanje ... 14

3.2.1 Zgodovina ... 14

3.2.2 Splošni principi ... 16

3.2.3 Procesi 3D tiskanja ... 17

3.2.3.1 FDM - ekstrudiranje ... 17

3.2.3.2 SL - fotopolimerizacija ... 18

3.2.3.3 PBF – sintranje/taljenje ... 19

4.1 Elektromotorji in 3D tiskanje ... 22

4.1.1 Večkomponentno tiskanje ... 24

4.2 Primerjava magnetnih materialov ... 25

4.2.1 FDM, SL in PBF magneti ... 27

4.2.2 Rezultati ... 28

4.2.3 Napredne metode ... 29

5 Zaključek ... 30

6 Viri ... 31

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

3D 3-dimenzionalno oz. tridimenzionalno

µo permeabilnost praznega prostora [4π × 10⁻⁷ H/m]

µ permeabilnost – merilo, kako magnetno polje prodira v material [H/m]

B gostota magnetnega polja [T ali Wb/m²]

Br remanenca [T]

(BH)max (maksimalni) energijski produkt [MGOe ali kJ/m³] FDM fused deposition modeling – ekstrudiranje

FFF fused filament fabrication - ekstrudiranje Hc koercitivnost [A/m ali T]

Ms nasičena magnetizacija [T]

M magnetizacija [T]

PBF powder bed fusion – proces sintranja ali taljenja materiala pri 3D tiskanju SL stereolithography – fotopolimerizacijski proces 3D tiskanja

SLS selective laser sintering – proces sintranja pri 3D tiskanju

1

1 Uvod

Trajni magneti so zelo pomembni v tehnologiji elektromotorjev in generatorjev, kjer mora malo materiala proizvesti veliko energije. Najbolj obetavni magnetni materiali pa so trenutno omejeni s slabo korozijsko odpornostjo in krhkostjo materiala. Te slabosti čez čas znižajo učinkovitost trajnih magnetov v napravah, poleg tega pa jih proizvodnja na osnovi subtrakcijskih (odvzemalnih) procesov omeji na določene velikosti in preproste oblike.

Rešitev omenjenih pomanjkljivosti predstavlja tehnologija 3D tiskanja. Omogoča nove oblike magnetov, ki jih je težko proizvesti z uveljavljenimi postopki – votle, vijugaste ali mrežaste strukture, ki jih lahko spravimo na poljuben red velikosti brez izgube magnetnih ali strukturnih lastnosti. Materiali pri 3D tisku so večinoma prahovi magnetnih materialov, zmešani z raznimi polimeri v kompozit, kar odpravi pomanjkljivosti glede krhkosti in korozije.

V diplomski nalogi bom preučeval dosedanje ugotovitve in izboljšave na področju 3D tiskanja trajnih magnetov z obzirom na tehnologijo elektromotorjev ter raziskal, na katerih področjih ta tehnologija doprinese največ ali celo prekaša obstoječe oblike magnetov.

1.1 3D tiskanje

3D ali tridimenzionalno tiskanje je oblika dodajalne oz. aditivne proizvodnje, s katero izdelujemo trirazsežne objekte na osnovi digitalnih modelov. Za razliko od tradicionalnih proizvodnih tehnologij, ki so osnovane na postopkih odvzemanja ali subtrakcije, 3D tiskalniki delujejo po postopkih dodajanja ali adicije materiala do končnega izdelka.

Proces tiskanja je močno odvisen od digitalnih tehnologij (vmesniki, digitalni modeli, avtomatizacija…), zato ne preseneča, da razvoj 3D tiskanja sovpada z digitalno revolucijo. [1] Materiali za 3D tiskanje so na začetku vsebovali le polimere in plastike, kmalu so se začele uporabljati tudi gume, kovine, keramike, beton in pred kratkim celo hrana. Kljub pocenitvi komponent in preboju v splošno uporabo, pa so inovacije 3D tiska le redko uporabljene pri masovnih produkcijah izdelkov v raznih industrijah, ki se še vedno zanašajo na stare, preverjene tehnologije, 3D tisk je pa uporabljen pri hitrem izdelovanju prototipov (rapid prototyping) in za manjši obseg po meri narejenih izdelkov.

2

1.2 Trajni magneti

Magnet predstavlja material ali predmet, ki proizvaja magnetno polje. Magneti privlačijo ali odbijajo druge magnete z magnetno silo, ki je poleg gravitacije, močne ter šibke jedrske sile ena od osnovnih sil v naravi. [2]

Magneti so dobili svoje ime po Magneziji, pokrajini v Mali Aziji, kjer so verjetno prvič opazili nenavadne sile med kosi železove rude, približno 2500 let pr.n.št. Dolgo časa so lastnosti magnetov s pridom izkoriščali pomorščaki, katerim so magneti v kompasih kazali pot po morjih. Ta odkritja so učenjaki iz Kitajske, Indije in kasneje tudi Evrope popisali okrog 12. stoletja. Šele v 17. stoletju so se naravoslovci začeli ukvarjati z razlago magnetnih lastnosti in izvajati eksperimente z magneti. V istem obdobju so tudi raziskovali električne pojave in kmalu odkrili, da so električni in magnetni pojavi povezani prek elektromagnetizma. [3]

Magneti se delijo na elektromagnete, ki proizvajajo magnetno polje zaradi električnega toka, in trajne magnete, ki proizvajajo lastno magnetno polje zaradi same strukture materiala. Magnete preučujemo na področju elektromagnetizma, ki povezuje električne in magnetne pojave. Za kvantitativen opis magnetnih pojavov moramo dobro poznati tudi električne pojave. Elektromagneti združujejo dognanja obeh panog in omogočajo preučevanje trajnih magnetov. [2]

Slika 1: trajni magnet v obliki pravokotnika z označenim magnetnim dipolom in magnetnim poljem, ki ga orisujejo magnetni opilki [4]

3

Če so bili prvi trajni magneti dokaj šibki v svojih lastnostih, sta konec 19. in začetek 20.

st. zaznamovala odkritje veliko novih materialov, ki so v svojem energijskem produktu vedno znova prekosili starejše. Okoli leta 1930 so prevladovali magneti na osnovi jekla, za njimi Alnico magneti (poimenovani po dodanih elementih, Al - aluminij, Ni - nikelj, Co - kobalt), v 50-ih letih prejšnjega stoletja pa so znanstveniki med testiranjem sintranja ''ponesreči'' odkrili ferite, magnete na osnovi keramike. Leta 1966 so v sodelovanju z industrijo razvili samarij-železove magnete (SmFe), ki so predstavljali začetek v razvoju magnetov redkih zemelj. Odlikuje jih visoka nasičena magnetizacija in odpornost proti demagnetizaciji. V 80-ih letih pa so na trg prišli neodim-železo-borovi magneti (NdFeB), ki še danes veljajo za najmočnejše po energijskem produktu. [5], [6]

Slika 2: razvoj trajnih magnetov v 20. st. po energijskem produktu (BH)^max [MGOe] kot merilo za kakovost magnetov [7]

4

2 Namen dela

Namen diplomske naloge je predstaviti tehnologijo 3D tiskanja trajnih magnetov od začetkov do današnjih časov in raziskati, kakšne so prednosti in slabosti te tehnologije v primerjavi z uveljavljenimi tehnologijami, z obzirom na industrijo elektromotorjev.

Na začetku bom predstavil teoretične osnove magnetizma, histereze in magnetnih materialov ter zgodovino, razvoj in procese 3D tiskanja. Ugotovitve začetnega dela nam bodo pomagale pri razumevanju nadaljnjih poglavij.

V jedru se bom osredotočil na popis dosedanjih metod, s katerimi nastajajo 3D tiskani magneti in na primerjavo lastnosti ter elektromotorje, ki za delovanje uporabljajo trajne magnete.

V zaključku bom strnil ugotovitve in poskusil opisati, kako daleč je 3D tiskanje od ostalih industrijskih procesov in na kakšen način se bo ta tehnologija integrirala.

5

3 Teoretične osnove 3.1 Trajni magneti

3.1.1 Magnetizem in histereza

Pri razumevanju magnetizma si pomagamo tako s trajnimi magneti kot tudi z elektromagneti. Trajne magnete neprekinjeno obdaja lastno, konstantno magnetno polje, v elektromagnetih pa s tokom spreminjamo jakost polja. Glavna karakteristika magnetnih materialov je njihov reverzibilni nelinearni odziv magnetizacije, M, na jakost zunanjega magnetnega polja, H:

𝐵𝐵= 𝜇𝜇₀(𝐻𝐻+𝑀𝑀)

Zgornja enačba nam poda gostoto magnetnega polja v materialu, B, ki je izražena v Teslah (T) ali Webrih na kvadratni meter (Wb/m²).

μ

⁰ je permeabilnost praznega prostora, ki je do pred kratkim bila konstanta z vrednostjo 4π×10⁻⁷ H/m, od leta 2019 naprej pa je to vrednost treba določiti eksperimentalno, ker je odvisna od fluktuacij v toku, podanem v amperih [A]. Magnetizacija, M, in jakost polja, H, sta podana v Amperih na meter (A/m).

[6], [8]

Odziv magneta na zunanje polje predstavimo na grafu histerezne zanke:

Slika 3: histerezni zanki magnetnega materiala, ki prikazujeta a) odziv magnetizacije M na zunanje polje H, b) odziv gostote magnetnega polja B na zunanje polje H [8], [9]

6

Da dobimo histerezno zanko določenega magnetnega materiala, ga moramo izpostaviti spreminjajočemu se magnetnemu polju in opazovati (meriti) odziv. Instrumenti za tovrstno merjenje so magnetometri tipa VSM (vibrating-sample magnetometer) - magnetometer s tresočim vzorcem.

Z večanjem jakosti polja se v materialu orientirajo magnetni momenti v smeri polja, ko dosežemo nasičenje (Ms), pa izginejo magnetne domene. Po tem zunanje polje zmanjšamo na nič, s tem se magnet znajde v metastabilnem stanju, iz kjer odčitamo remanenco (Mr). Po zniževanju magnetnega polja v negativno smer dobimo vrednost koercitivnosti (Hc). Znižujemo ga še do negativnega maksimuma, nato pa spet zvišamo do pozitivnega maksimuma, da dobimo zaključeno zanko. [2], [8]

Mr [A/m] – remanenca ali remanentna magnetizacija; magnetizacija, ki ostane po nasičenju, ko je zunanje polje enako nič. Vrednost Mr v materialu bo vedno manjša od Ms, čeprav so vrednosti v posameznih domenah iste. Pri močnih trajnih magnetih so te vrednosti zelo podobne, Mr≈ Ms. Remanenco lahko odčitamo tudi iz grafa B-H, pri čemer dobi oznako Br in enote Tesla [T]. V tej obliki se ji lahko reče tudi retentivnost. [8]

Ms [A/m] – nasičena magnetizacija; najvišja magnetizacija, ki jo lahko dosežemo v določenem magnetnem materialu. V tem stanju vsi magnetni momenti v materialu kažejo v isto smer, celoten magnet predstavlja eno samo magnetno domeno. Nasičena magnetizacija je odvisna od atomskega dipolnega momenta in kristalne strukture materiala. Reče se ji tudi spontana magnetizacija. [6]

Hc [A/m] – koercitivnost; jakost zunanjega magnetnega polja, pri katerem se magnetni material razmagneti. Pri tem se magnetni momenti v domenah obrnejo tako, da se navzven izničijo. Približno polovica magnetnih domen takrat kaže proti severu, polovica pa proti jugu. Tako material navzven ne kaže magnetnih lastnosti, lastno magnetno polje je neto nič. [5], [8]

Magnetna susceptibilnost (

χ

) je brezdimenzijsko število, ki označuje, koliko se bo material namagnetil, ko ga izpostavimo zunanjemu polju.

𝑀𝑀= 𝜒𝜒 ∙ 𝐻𝐻

Analogija pri gostoti magnetnega polja B je permeabilnost µ [Wb/Am]:

𝐵𝐵= µ∙ 𝐻𝐻

7

(BH)max [MGOe ali kJ/m³] – maksimalni energijski produkt; merilo kvalitete magnetnega materiala. Je neodvisen od volumna, le od lastnosti magnetnega materiala, kar pomeni, da imajo magneti istega materiala identični (BH)max, ne glede na velikost.

Določimo ga eksperimentalno iz drugega kvadranta B-H histerezne zanke, kjer je to največji možni pravokotnik, ki ga omejujeta x in y os ter histerezna krivulja. [8], [10]

Slika 4: a) koercitivnost (Hc) na grafu M-H in b) maksimalni energijski produkt (BH)max v obliki pravokotnika na grafu B-H [11]

3.1.2 Trdi in mehki magneti

Magneti se glede na magnetizacijo delijo na dve skupini: trdi in mehki magneti. Magnetni materiali z nizkimi vrednostmi koercitivnosti Hc in visoko permeabilnostjo µ spadajo pod mehke, medtem ko materiali z visoko koercitivnostjo Hc in nizko permabilnostjo µ spadajo pod trde magnetne materiale. Trdi magneti se zelo težko magnetizirajo (Hc≈ 2000 kA/m), ampak tudi demagnetizirajo, zato se tudi ob prisotnosti močnega zunanjega magnetnega polja ne bodo razmagnetili. Mehki magneti pa, ravno obratno, se zlahka (de)magnetizirajo (Hc ≈ 25 kA/m), kar jim omogoča hitro obračanje magnetizacije z majhno izgubo energije. Zaradi teh lastnosti so uporabni v visokofrekvenčnih elektronskih napravah in jedrih transformatorjev, medtem ko so trdi magneti uporabni v elektromotorjih in trdih diskih zaradi zmožnosti ohranjevanja magnetizacije. [12], [13]

8

Slika 5: B-H histerezni zanki za mehke (levo) in za trde magnete (desno) [14]

3.1.3 Osnova magnetizma

Vsi elementi na Zemlji ali v vesolju ne kažejo magnetnih lastnosti, opazimo jih lahko le pri redkih, kjer se take lastnosti pojavijo zaradi magnetnih momentov in interakcij na atomarni in subatomarni ravni.

Magnetne momente v atomih prispevajo jedra (zanemarljivo) in elektroni (večinsko).

Elektroni imajo dodatno tudi spinski in orbitalni magnetni moment, ki sta odvisna od ''vrtenja'' elektrona okoli lastne osi in okoli jedra atoma. Iz kvantne teorije vemo, da je spinski moment elektrona enak Bohrovemu magnetonu:

µ

^B = 9,27x10-24 Am². Enačba zanj je:

µ𝐵𝐵 = 𝑒𝑒 ∙ ℎ 4𝜋𝜋 ∙ 𝑀𝑀 ∙ 𝑐𝑐

kjer je e naboj delca, h Planckova konstanta, c hitrost svetlobe in M masa delca. [5]

Ker ima elektron lahko dve različni orientaciji spina (spin gor ↑ ter spin dol ↓), sta lahko vrednosti magnetona ±1

µ

B. Atomske orbitale lahko vsebujejo enega ali dva elektrona z nasprotnimi vrednostmi spina. Paulijev izključitveni princip narekuje, če se dva elektrona v sistemu zamenjata, dobi spin (in valovna funkcija) nasprotni predznak. Če so v orbitalah vsa mesta zasedena, se magnetni moment elektrona izniči. Če ima pa element v zunanjih orbitalah proste elektrone, katerih magnetni momenti kažejo v isto smer, se bo pojavil magnetizem. [5], [6]

9

3.1.4 Intrinzične lastnosti

Na intrinzične lastnosti v magnetnih materialih vplivajo izključno magnetni momenti in interakcije na atomski ravni. Te lastnosti vključujejo Curiejevo temperaturo (Tc), nasičeno magnetizacijo (Ms) ter magnetno kristalno anizotropijo.

Tc [K] – Curiejeva temperatura; temperatura, pri kateri magnetni material izgubi vse svoje magnetne lastnosti. Pri feromagnetnih materialih se to kaže tako, da postanejo paramagnetni. [15]

Magnetna kristalna anizotropija – opraviti ima s sklapljanjem elektronskih orbital v kristalni mreži materiala. V določenih mrežah so orbitale tako razporejene, da se po določeni osni smeri pod vplivom polja zlahka rotirajo, po osni smeri, ki je pravokotna na prejšnjo, pa zelo težko. V ''lahki'' smeri magnetizacije so te orbitale v najnižjem energijskem stanju. Pri trajnih magnetih na osnovi redkih zemelj je anizotropija zaželjena, ker s to lastnostjo se bo magnet stežka demagnetiziral pod vplivom zunanjega polja. [5], [15]

3.1.5 Ekstrinzične lastnosti

Ekstrinzične lastnosti so pa, za razliko od intrinzičnih, ki so določene na mikro nivoju, določene na makro nivoju – velikost zrn, kristalna orientacija… Te lastnosti zavisijo od načina priprave magnetnega materiala in dodatkov, ki vplivajo na mikrostrukturo.

Te lastnosti smo lahko zgoraj razbrali iz histereznih zank – remanenca, koercitivnost in energijski produkt.

10

3.1.6 Magnetne domene

Magnetne domene so deli magnetnega materiala, v katerem vsi magnetni momenti atomov kažejo v isto smer. Domene nastanejo zaradi težnje v materialu po zmanjšanju notranje energije. Če bi magnet reda velikosti 10^-2 m sestavljala ena sama, enako velika domena, bi bila magnetostatična energija za ohranjanje magnetnega polja zelo visoka.

Za zmanjševanje energije se velika domena razdeli na dve manjši domeni z nasprotno usmerjenostjo magnetizacije. Na isti način se dve manjši domeni razdelita na štiri še manjše, te pa na še več manjših domen. Pri določenem redu velikosti (10^-4 – 10^-6) pa se domene nehajo deliti, ker je v materialu dosežena najmanjša možna energija. Domene so definirane tudi s površino, ki jo deli od sosednjih. [5], [15], [16]

Zaradi naštetih dejavnikov le malo naravnih materialov izkazuje spontano

magnetizacijo. Vendar pa lahko ustrezne materiale podvržemo določenim postopkom, ki spremenijo urejenost domen tako, da material postane namagneten. Včasih so bili materiali mehansko (kovanje) in termično (segrevanje in hitro hlajenje) obdelani za izboljšavo magnetnih lastnosti, dandanes pa jih namagnetimo z usmeritvijo v močnem zunanjem magnetnem polju. Ta postopek prikazuje spodnja slika:

Slika 6: shema usmerjenosti magnetnih momentov v domenah [16]

Domene v magnetnih materialih, ki so najbolj primerni za traje magnete, le deloma izgubijo orientacijo. Ta lastnost je pogojena od večih intrinzičnih dejavnikov, glavni rezultat je pa lastnost ohranjanja magnetnega polja in njemu lastne smeri magnetnega polja. [5], [15]

11

3.1.7 Vrste magnetnih materialov

Če je magnetni moment atoma vektorska vsota vseh njegovih elektronov, dobimo dve možnosti v atomih elementov:

- Magnetni momenti se zaradi polnih orbital izničijo, zato je material navzven diamagneten

- Atomi materiala imajo zaradi nezapolnjenih orbital magnetni moment in navzven delujejo para-, fero-, antifero- ali pa ferimagnetni

Magnetni materiali se tako delijo na diamagnetne, paramagnetne, feromagnetne, antiferomagnetne in ferimagnetne materiale. Le-ti ne obstajajo v naravi. Dia- in paramagnetni so najbolj pogosti, feromagnetni so pa zmožni ustvariti permanentno magnetno polje, ki je nujno za trajne magnete. Ena izmed ključnih lastnosti pri razvrščanju magnetnih materialov je susceptibilnost χ. [5]

Slika 7: magnetne lastnosti elementov periodnega sistema pri sobni temperaturi [12]

12

3.1.7.1 Diamagnetizem

Atomi diamagnetnih elementov (C, Si, Pb…) nimajo magnetnega momenta ob odsotnosti zunanjega magnetnega polja. Pod vplivom le-tega pa se v atomih inducira magnetni moment, ki kaže v nasprotno smer zunanjega polja, zato se bo magnetno polje navidezno zmanjšalo in tudi susceptibilnost bo negativna. Le-ta je za razliko od ostalih materialov neodvisna od temperature in zelo majhna (~10^-6).

Vsi elementi imajo diamagnetne lastnosti; če pa je para- ali feromagnetni doprinos v elementu večji, ga uvrstimo pod para- ali feromagnetnega. [5]

3.1.7.2 Paramagnetizem

Atomi imajo nezapolnjene orbitale, kar privede do magnetnega momenta elektronov, ampak usmerjenost le-teh je naključna in se navzven izniči. Ob prisotnosti zunanjega magnetnega polja se magnetni momenti v atomih deloma poravnajo v smeri polja, zato je susceptibilnost pozitivna, ampak zelo majhna (~10^-6). Magnetizacija paramagnetnih materialov pa je proporcionalna zunanjemu magnetnemu polju. [5]

3.1.7.3 Feromagnetizem

V feromagnetu imajo atomi enake lastnosti kot pri paramagnetizmu, ampak se razlikujejo po razporeditvi. Atomi morajo biti urejeni v strukturni mreži, kjer lahko njihovi magnetni momenti interagirajo in se usmerijo paralelno med seboj. Weiss [16] je uvedel pojem magnetnih domen, ki opisuje takšno razporeditev atomov. Obnašanje teh domen v materialu opisuje, kako se bo le-ta odzval na zunanje magnetno polje. Susceptibilnost je pozitivna in zelo visoka (~10⁵), zato različne feromagnetne materiale dodatno ločimo z magnetizacijo nasičenja Ms. [17]

3.1.7.4 Antiferomagnetizem

Materiali s to lastnostjo so podobni feromagnetnim, vendar interakcije med sosednjimi atomi privedejo k antiparalelni usmerjenosti magnetnih momentov. Tako se ob prisotnosti zunanjega magnetnega polja notranje polje v materialu izniči in navzven tak material deluje paramagnetno. Susceptibilnost je majhna in pozitivna (od 10^-5 do 10^-3). [17]

13

3.1.7.5 Ferimagnetizem

Ferimagnetne lastnosti so prvo opazili pri določenem tipu keramike, in sicer pri mešanih železovih oksidih (Fe3O4 – magnetit, Fe2O3 – maghemit). Kasneje so jih opazili tudi pri stroncijevih (Sr) in ostalih oksidih. Ti materiali se zaradi ferimagnetnih lastnosti imenujejo feriti. Imajo zelo zapleteno ureditev magnetnih domen; prihaja do veliko interakcij med elektroni, zato se magnetni momenti ne izničijo popolnoma, kot se v antiferomagnetnih materialih. Feromagnetnih lastnosti ne izkazuje noben element periodnega sistema, samo spojine. Susceptibilnost je visoka in pozitivna (~10³), ampak ne dosega reda velikosti feromagnetnih materialov. [5], [17]

Slika 8: magnetne domene in odziv magnetnih materialov na zunanje magnetno polje z grafom magnetizacije (M) v odvisnosti od zunanjega polja (H) [12]

14

3.2 3D tiskanje

3.2.1 Zgodovina

Prvi zametki o tridimenzionalnem tiskanju so obstajali že v 50-ih letih prejšnjega stoletja, vendar se je šele leta 1971 pojavil prvi patent, ki ga je predstavil Johannes F. Gottwald in za tisti čas že predpostavil uporabo ekstrudiranja tekočega materiala, hitro strjevanje in zmožnost hitre izdelave po meri natisnjenih izdelkov. Opisal je tudi, da je tovrstno tiskanje namenjeno zmanjšanju porabe materiala in reciklaži materiala za ponovno uporabo. Žal pa v tem obdobju tehnologije za uresničitev njegovih idej še niso obstajale.

To se je spremenilo v 80-ih letih 20.stoletja, ko so raziskovalci iz Francije, ZDA in Japonske neodvisno razvijali tridimenzionalno tiskanje, ki je vključevalo nalaganje tekočega materiala in strjevanje s pomočjo UV-svetlobe. Ta proces se imenuje stereolitografija na osnovi fotopolimerizacije, prvi 3D tiskalniki so bili osnovani na tem procesu. Prva podjetja za 3D tiskanje in patenti so prišli iz ZDA okoli leta 1984, dve leti kasneje pa je luč sveta ugledal tudi prvi komercialni 3D tiskalnik, SLA-1 podjetja 3D Systems Corporation. [1], [18]

Slika 9: 3D tiskalnik podjetja Sunkin, tip D220. Deluje na osnovi ekstrudiranja materiala [18]

15

Konec 80-ih in začetek 90-ih let so zaznamovali prvi 3D tiskalniki s tehnologijo FDM (fused deposition modelling) – ekstrudiranje, ki je še danes najbolj razširjen način tridimenzionalnega tiskanja. Tovrstne tiskalnike je prvo izdelalo ameriško podjetje Stratasys leta 1992. Kmalu za njimi se je 3D tisk razširil tudi na področje obdelave kovin in zlitin. Na tem področju so bili procesi vedno osnovani na principu odvzemanja ali subtracije (CNC rezkanje, brušenje, vrtanje…), 3D tiskanje je pa vpeljalo procese na osnovi dodajanja ali adicije – aditivni procesi. [18]

V 21. stoletju so 3D tiskanje uvrstili pod široko paleto aditivne proizvodnje. Če je do takrat bilo bolj usmerjeno k izdelovanju prototipov in za porazdeljeno proizvodnjo, pa je v tem stoletju doživelo preboj v komercialno rabo. 3D tiskanje raziskovalci navajajo kot orodje trajnostnega razvoja, s komercializacijo je bolj dostopno posameznikom in manjšim podjetjem na najrazličnejših področjih (industrijsko oblikovanje, nakit, obutev, arhitektura…), z zmožnostjo izdelovanja unikatov in specifičnih geometrijskih oblik pa ima tudi potencial v medicini, kirurgiji, letalski in vesoljski industriji. [19], [20]

Slika 10: 3D natisnjen doprsni kipec ženskega lika. Natisnjen s FDM tiskalnikom podjetja Creality, tipa Ender-3, natisnil R. Štancer (osebni arhiv)

16

3.2.2 Splošni principi

3D tiskani objekti svojo pot začnejo v digitalni obliki, do katere pridemo na več načinov.

Najpogostejši način je s 3D digitalnim modelom, ki ga ustvarimo s programom, kot je npr. 3D CAD (v industriji) ali Tinkercad (odprtega vira, za posameznike), lahko pa tudi določen fizični objekt (npr. skodelico) poskeniramo s 3D skenerjem. Program tak model ''razreže'' v posamezne sloje in s tem spremeni digitalni model v datoteko, ki jo 3D tiskalnik ''razume''. Datoteke te vrste so lahko STL (stereolithography file format), ki uporablja triangulacijo površine in zasede več prostora, ali pa AMF (additive manufacturing file), ki uporablja ukrivljeno triangulacijo in zasede manj prostora.

Programi za 3D tiskanje morajo objekte, preden gredo na tisk, pregledati za morebitne napake, ki bi lahko vplivale na strukturo in integriteto objekta. Če ima objekt določeno geometrijo (prevese, spodmole, priveske…), nam program izriše podporne elemente v obliki ozkih stebričkov, ki jih je moč po tisku mehansko ali kemično odstraniti. [1]

Ločljivost tiskalnika je opisana v številu pik na inč (DPI – dots per inch) ali pa v mikrometrih (µm). Opisuje tako debelino posameznih plasti (z smer) kot tudi ločljivost po površini (x-y smer). Običajna ločljivost tiskalnikov je nastavljena na 250 DPI (100 µm), vendar lahko določeni tiskalniki natisnejo plasti debeline kar 16µm (1600 DPI). Z ločljivostjo pa je tudi pogojen čas tiskanja; če ga hočemo skrajšati, potem lahko rahlo povečamo dimenzije objekta in ga potem naknadno obdelamo z drugimi metodami do želene velikosti. To tudi naredimo, če objekt zaradi same narave tiska izpade preveč ''stopničast'', če se vidi relief posameznih plasti. [1]

Od začetka se je 3D tiskanje osredotočalo na polimere kot glavne materiale za uporabo, predvsem zaradi hitre izdelave, enostavnega rokovanja ter lastnosti hitrega topljenja in strjevanja. Vendar se je zaradi razmaha procesov tiskanja hitro razširilo tudi na področje kovin, keramik in veliko drugih polimerov ter plastik. Pri različnih materialih pa moramo upoštevati, da ne smemo vseh tiskati na isti način, z istim procesom, in tudi gledati na končno uporabnost 3D tiskanega izdelka - če bomo z določenim procesom res dobili izdelek z zahtevanimi lastnostmi. [1], [9]

17

3.2.3 Procesi 3D tiskanja

3D tiskanje je ena od vej aditivne proizvodnje, ki zavzema mnogo procesov in metod:

- Fotopolimerizacija (SL) - Ekstrudiranje (FDM/FFF) - Sintranje/taljenje (PBF)

- Brizganje materiala/veziva (3DP) - Laminacija slojev (LOM)

V tej diplomski nalogi se bom osredotočal na primerjavo najbolj uveljavljenih procesov – ekstrudiranje, fotopolimerizacija in sintranje/taljenje.

3.2.3.1 FDM - ekstrudiranje

FDM (fused deposition modelling), FFF (fused filament fabrication) ali ekstrudiranje materiala je najbolj razširjena in enostavna oblika 3D tiskanja. Osnova delovanja je navoj filamenta – kontinuirna tanka cev, zvita v navoj. Ta potuje skozi ekstrudirno glavo, kjer se segreje na določeno temperaturo, zmehča in v stopljeni obliki zapusti glavo skozi šobo.

Tako se plasti filamentov ekstrudirajo in nalagajo ena na drugo do nastanka trdnega objekta.

Slika 11: shema in komponente FDM procesa [1]

18

Materiali za ekstrudiranje so večinoma polimeri iz družine termoplastov. Uveljavljeni materiali vključujejo akrilonitril butadien stiren (ABS), polikarbonate (PC), poliamide (PA) in polistirene (PS), novejši materiali pa vsebujejo polilaktično kislino (PLA), ki je biorazgradljiva. [1], [18]

S FDM procesom lahko tiskamo tudi trajne magnete. Material za tiskanje predstavlja polimer z dodanim magnetnim prahom. Priprava homogene mešanice polimera in prahu najprej poteče prek granul, v katerih je material že homogeniziran. V navitje filamentov pa granule spremenimo prek ekstruderjev. To so naprave, ki segrejejo granule do temperature, kjer se zmehčajo, nato pa jih stisnejo v kontinuirno tanko cev – filament.

V določenih razmerjih, ko prah predstavlja večinski delež materiala, postanejo filamenti zelo gosti in izgubijo fluidne lastnosti za navadne FDM tiskalnike. V tem primeru se je treba poslužiti BAAM (big area additive manufacturing) metode, ki obratuje z večjimi volumni, površinami in šobami. [21] Ta metoda je bolj ustrezna za gostejše, manj viskozne materiale v filamentih.

3.2.3.2 SL - fotopolimerizacija

Fotopolimerizacija v obliki stereolitografije (SL) je bila ena od prvih procesov 3D tiskanja, na njej je bil osnovan tudi prvi 3D tiskalnik, SLA-1.

Osnovana je na fotopolimerih, ki spremenijo lastnosti, ko jih izpostavimo viru UV ali vidne svetlobe. To se največkrat odraža v spremembi strukture materiala, da material iz tekočega postane trden. V fotopolimerih se prepleta veliko molekularnih vezi, ki ob sobnih pogojih ustvarjajo tekočo fazo, ko pa nanj posvetimo s svetlobo, pa poteče kemijska reakcija fotopolimerizacije, ki aktivira določene vezi in zamreži celoten polimer v trdno fazo. [18]

Fotopolimerizacija lahko obratuje z laserjem kot virom vidne ali UV svetlobe, kar je energijsko bolj potratno od DLP (digital light processing) naprave, ki z zrcali ojača energijsko manj potraten vir svetlobe (žarnica, LED svetilka).

Za tiskanje magnetov je potrebno mešanico fotopolimera, magnetnega prahu in (odvisno od procesa) fotoiniciatorja namestiti v kad s prosojnim dnom, v katero se spušča platforma. Prva plast se zatrdi na platformo, ko nanjo posveti svetloba. S premikanjem platforme in nanosom materiala na koncu dobimo izdelek, ki ga naknadno izpostavimo termo- ali fotoobdelavi za izboljšavo mehanskih lastnosti. Stereolitografski procesi se razlikujejo tudi po uporabi kadi – prvi SL patent je vseboval veliko kad, napolnjeno z

19

mešanico in platformo, ki se je počasi dvigovala iz kadi z objektom vred. Taka zasnova procesa je zaradi velike (u)porabe dragih fotopolimerov potratna, zato se moderni SL procesi izvajajo s plitvejšo kadjo s prosojnim dnom, v katero platforma objekt namaka od zgoraj, kot je prikazano na sliki 12:

Slika 12: shema in komponente SL procesa [1]

Prednost magnetov, narejenih prek fotopolimerizacije, je njihova ločljivost – niso omejeni na velikost ali premer šobe – in kvaliteta, posebej po mehanskih lastnostih. Kljub temu se jih, v izogib lomljivosti in krhkosti, izpostavi naknadni obdelavi. [1], [22]

3.2.3.3 PBF – sintranje/taljenje

PBF (powder bed fusion) je edini proces 3D tiskanja, ki uporablja termoobdelavo za sintranje ali taljenje materiala, katere izvor je lahko laser ali curek elektronov. Glede na izvor toplote se tudi delijo:

- laser: SLS (selective laser sintering) in SLM (selective laser melting) - curek elektronov: EBM (electron beam melting)

Osnova PBF tiskanja sta material v prahu in vir toplote. Iz komore z uprašenim materialom se prek valjarja tanka plast prahu nanese na platformo, kjer vir toplote zatrdi prvo plast. Platforma se premakne za debelino plasti navzdol, valjar nanese novo plast, laser/curek jo zatrdi na prejšnjo plast in postopek se ponavlja do končnega izdelka. Za preprečevanje reakcij med segretim prahom in plini v atmosferi (O2, N2) je treba laserske

20

procese izvajati v inertni atmosferi (Ar, He), EBM proces pa zaradi višjih temperatur zahteva obratovanje pod visokim vakuumom. [1], [22]

Za primerno delovanje 3D tiskalnika in dobre lastnosti izdelka moramo imeti kar najbolj fino uprašen material. Za večino procesov zadostuje velikost delcev pod 100 µm, pri nekaterih materialih pa tudi pod 50 µm. Zaželjeno je tudi, da so delci čimbolj okrogli in granulasti. Za ta namen se pri izdelavi prahu uporabi proces plinske atomizacije.

Slika 13: shema in komponente PBF procesa [1]

SLM in EBM procesa obratujeta na visoki temperaturi, še posebej pri prahovih kovin ali zlitin, ki imajo tališče blizu 1000^oC. Procesa poskrbita, da se material v plasti docela stali in zavari na prejšnjo plast. Tako dobimo veliko manj porozen izdelek z mehanskimi lastnostmi, ki so skoraj identične konvencionalno proizvedenim produktom. Drugače je pri SLS procesu, ki obratuje tik pod tališčem materiala in prah le delno stopi na površini, da poteče spajanje – material sintra. Tu ne dosegamo tako visokih temperatur obratovanja, ampak končni izdelek utegne biti bolj porozen kot posledica samega sintranja, izdelek bo vseboval več praznin. Zato SLS izdelke pogosto še naknadno obdelamo za boljše mehanske lastnosti. [1], [23]

21

PBF procesi imajo unikatno značilnost, da objekti med tiskanjem ne potrebujejo podpornih struktur pri določenih geometrijah (prevese, spodmoli), ker jih ves čas tiskanja obdaja preostanek materiala, ki se ni stalil/sintral. Podoben temu je tudi prvoten patent SL, kjer je celoten objekt med tiskanjem potopljen v fotopolimer.

PBF odpravi glavne pomanjkljivosti FDM tiskanih magnetov, ki imajo nizek (BH)max. Magneti niso vezani v polimerno matrico in izkazujejo podobne magnetne lastnosti kot tradicionalno proizvedeni magneti. Vendar pa zaradi visokih temperatur obratovanja pri PBF procesih prihaja do faznih sprememb v materialu, kar lahko privede do spremembe mikrostrukture in, posledično, ekstrinzičnih lastnosti materiala. [6], [23]

22

4 Materiali in metode

4.1 Elektromotorji in 3D tiskanje

3D tiskanje komponent elektromotorjev izkazuje veliko prednost na področju kompleksnih oblik rotorjev.

V zadnjih letih se je večina avtomobilske industrije usmerila v elektrifikacijo – razvijanje električnih in hibridnih avtomobilov, ki ne puščajo ogljičnega odtisa. V električnih avtomobilih enega glavnih elementov za pretvorbo električne v mehansko energijo predstavlja elektromotor, ki mora imeti, glede na velikost, dovolj visok izkoristek in mora delovati specifično v obratovalnem rangu. Tu pridejo v igro elektromotorji na osnovi trajnih magnetov.

Elektromotorji so naprave, ki pretvarjajo električno energijo v mehansko. Delijo se na:

- AC (izmenični tok) elektromotorji - DC (enosmerni tok) elektromotorji

Princip delovanja prvih dveh vrst elektromotorja je isti, razlikujeta se pa po vrsti električnega toka, ki ju ženeta. AC elektromotor deluje na izmenični tok, ki ga dobimo prek električnega omrežja, DC elektromotor pa prek enosmernega toka iz baterij in generatorjev. Tipična struktura elektromotorja je cilindrična, ohišje predstavlja stator z navitji, prek katerih teče električni tok in vzbuja rotor z elektromagnetno silo v vrtenje, s čimer se tvori mehansko delo. [24]

Sliki spodaj predstavljata dva različna tipa elektromotorjev, ki za delovanje uporabljata trajne magnete:

Sliki 14 in 15: shema in komponente a) BLDC motorja in b) PMSM motorja [13]

23

BLDC (brushless direct current) elektromotor je nadgrajena oblika dobro uveljavljenih BDC (brushed direct current) elektromotorjev. Pri slednjih sta tako rotor in stator iz več navitij, med njima pa so ščetke, ki uravnavajo električni tok. Ker pri BLDC rotor sestoji iz trajnih magnetov, potrebujemo samo magnetno polje brez kontakta rotorja in statorja za delovanje. Odsotnost ščetk pomeni odsotnost isker, ki nastajajo pri delovanju, zato so taki motorji bolj primerni za delo v nevarnih okoljih. Z ustreznim magnetnim materialom za rotor pa dobimo visok izkoristek delovanja. [13], [25]

PMSM (permanent magnet synchronous motor) elektromotor deluje na podoben princip kot BLDC motor, le da slednji deluje na enosmerni tok, medtem ko PMSM deluje na izmenični tok. Izhaja iz družine sinhronih motorjev, pri katerih je hitrost delovanja v obratovalnem stanju sinhronizirana z napetostjo toka; perioda obrata rotorja je enaka sinusoidni periodi izmeničnega toka. Motorji na takem principu delovanja so bolj učinkoviti pri različnih hitrostih obratovanja ter veliko tišji in zanesljivejši kot asinhroni (indukcijski) motorji. [13], [24]

Elektromotorji s trajnimi magneti se dodatno delijo glede na to, kako so magneti razporejeni v rotorju. Dva glavna načina sta:

- IPM (interior permanent magnet) – magneti so vgrajeni v rotor - SPM (surface permanent magnet) – magneti so na površini rotorja

Slika 16: shemi SPM motorja (levo) in IPM motorja (desno) [13]

24

Čeprav je vgrajevanje magnetov v rotor bolj zahtevno in dražje, dobimo višji izkoristek motorja celokupno in ni problemov z odstopanjem magnetov pri visokih hitrostih ali temperaturah (kot pri SPM konfiguraciji).

Poleg vgrajevanja samih magnetov v rotor je izdelava le-teh zamudna, draga in pridela veliko odpadkov (do 50%) zaradi subtrakcijskih procesov, ki se izvedejo na kosu neobdelanega magneta. Zaradi tega je najboljša alternativa za prihodnost 3D tiskanje rotorjev v elektromotorjih z IPM konfiguracijo.

Slika 17: pet različnih shem rotorjev z IPM konfiguracijo v elektromotorjih, ki jih je možno natisniti s 3D tiskalnikom s funkcijo večkomponentnega tiskanja [13]

Črna komponenta na sliki prikazuje magnet – trdo-magnetno snov, ki bo zaradi induciranega toka poskrbela za vrtenje elektromagneta. Siva komponenta prikazuje matrico – mehko-magnetno snov, ki minimizira velikost magnetnega polja v elektromotorju in poskrbi, da magnet ostane na mestu. Tako natisnjene 3D rotorje je mogoče natisniti le s posebno obliko 3D tiskalnika, ki omogoča večkomponentno tiskanje. [13], [26]

4.1.1 Večkomponentno tiskanje

Večino 3D tiskalnikov so v zadnjih letih opremili z dodano funkcijo večkomponentnega tiskanja materiala. Najbolj razširjena je pri tiskalnikih tipa FDM, kjer obstajata dve možnosti takega tiska:

- več materialov – ena šoba (preprostejša zasnova, materiali morajo imeti podobne fizikalne lastnosti, proizvede se več odpada s sprotnim čiščenjem šob)

- več materialov – več šob (čistejši proces, ampak zahteva po navadi tudi več ekstrudirnih glav, zato bolj kompleksen in dražji)

25

Pri ostalih vrstah 3D tiskanja so uporabljene drugačne rešitve za tiskanje več komponent naenkrat. Pri vseh je zaželjeno, da imajo različni tiskani materiali podobne fizikalne, reološke in mehanske lastnosti za čimbolj učinkovit proces tiskanja.

Slika 18: shema in komponente večkomponentnega 3D tiskanja [13]

4.2 Primerjava magnetnih materialov

Trenutno najmočnejši magnetni materiali, ki jih uporabljamo v elektromotorjih, so neodim-železo-borove (NdFeB) spojine. Najboljše lastnosti ima polikristalinična Nd12Fe14B faza, poleg te pa magneti vsebujejo tudi druge faze NdFeB spojine.

Dve izmed konvencionalnih metod izdelovanja trajnih magnetov sta:

- Mehanska obdelava sintranih NdFeB magnetov (rezkanje, valjanje, CNC…) - Zamreženje magnetnega prahu v polimer in vlivanje NdFeB magneta v kalup

26

Sintrani magneti so zaradi omejitev mehanskih (subtrakcijskih) procesov preprostejših oblik in se uporabljajo v stabilnih okoljih – brez nevarnosti korozije, ozek temperaturni rang, nevnetljiva okolja (nastanek isker)… Vlivani magneti imajo rahlo slabše magnetne lastnosti, ampak so uporabni za večji rang delovanja in oblikovanja. [27]

Tabela 4.1: magnetne lastnosti (remanenca, koercitivnost in energijski produkt) konvencionalno proizvedenih magnetov:

Br (mT) Hc (T) (BH)max (kJ/m³) Sintrani NdFeB magneti 1080-1421 0,88-2,38 223-406

Vlivani NdFeB magneti 344-737 0,56-1,04 20-92

Čeprav so te lastnosti superiorne ostalim magnetnim spojinam, pa NdFeB magneti nimajo dobrih lastnosti pri povišanih temperaturah; zaradi negativnega koeficienta neodima se Hc zmanjša drastično že nad 100^oC in vztrajno pada do Curiejeve temperature; Tc ≈ 300^oC. [4], [25]

Slika 19: sintrani NdFeB magneti preprostih oblik, ki jih proizvaja podjetje HGT Advanced Magnets Co. [27]

Veliko študij 3D tiskanja trajnih magnetov uporablja zgoraj omenjeno spojino tudi v natisnjenih magnetih, mnogo se jih pa osredotoča na mehansko bolj obstojne ali kako drugače bolj primerne materiale za delo.

27

4.2.1 FDM, SL in PBF magneti

C. Huber in sodelavci so v študiji iz leta 2020 [22] tridimenzionalno natisnili in neposredno primerjali 7 × 5 × 5 mm³ magnete, natisnjene z zgoraj opisanimi metodami – FDM, SL, in PBF. Uporabili so NdFeB magnetni prah (MQP-S-11-9 podjetja Magnequench), pridobljen z atomsko magnetizacijo prek toplotne obdelave. Prah je sestavljen iz sferičnih delcev, katerih distribucija d50 je 38 µm. Glavni področji uporabe tega prahu sta vlivanje magnetov (konvencionalna metoda) in ekstrudiranje (dodajalna metoda). V tej študiji so ga uporabili za vse tri procese 3D tiskanja. [22], [28]

Za FDM tiskalnik je bil uporabljen kompozit iz NdFeB magnetnega prahu in PA 11 (poliamid 11) polimerne matrice. 3D tiskalnik Builder podjetja Code P z dimenzijami delovnega prostora 220 × 210 × 165 mm³ je bil uporabljen za tiskanje kocke iz kompozita z dimenzijami 5 × 5 × 5 mm³. Magnetni prah predstavlja do 89 ut% celotnega kompozita.

Premer kompozitnih filamentov je 1,75 mm, v ekstrudirni glavi se segrejejo na 260^oC in jo zapustijo skozi šobo premera 0,4 mm. Premer šobe narekuje tudi ločljivost tiskalnika, ki mora biti minimalno 0,4 mm, da se prepreči zamašitev ekstrudirne glave. Za boljše prijemanje na platformo je le-ta segreta na 80^oC. [22]

Tiskalnik tipa LMM podjetja Incus GmbH je pri procesu SL deloval na podoben princip kot PBF proces na sliki 13. 3D tiskalnik tipa LMM ima platformo dimenzij 75 × 43 mm², ki se znižuje za 60 µm, kar je tudi debelina sloja. Ločljivost v x-y smeri je 40 µm.

Volumska hitrost za tiskalnik je maksimalno 20 cm³/h. Material v študiji predstavlja zmes di- in polifunkcionalnih metakrilatov, fotoiniciatorja ter magnetnega prahu. Le-ta predstavlja do 92 ut% celotne zmesi. Fotopolimerna zmes je bila pripravljena s centrifugalnim mešanjem. [22]

Tiskalnik tipa LPBF podjetja Farsoon z dimenzijami delovnega prostora 120 × 120 × 100 mm³ je bil uporabljen v študiji. Tiskanje se opravlja v atmosferi argona (Ar) z vsebnostjo kisika pod 0,1%. Debelina slojev je 100 µm. Le-ti se nanašajo direktno na jekleno platformo, ki poskrbi za ustrezno disipacijo energije. Kot vir toplote se uporablja iterbijev (Yb) laser. Moč laserja (P) med tiskom variira med 20 in 100 W, hitrost skeniranja pa variira med 50 in 2000 mm/s. [22], [29]

28

4.2.2 Rezultati

Tabela 4.2: magnetne lastnosti 3D tiskanih magnetov iz študije iz leta 2020:

Br (mT) Hc (T) (BH)max (kJ/m³)

FDM 344 0.918 42

SLS 436 0.653 187

SL 388 0.923 78

Študija nam z direktno primerjavo vseh treh procesov 3D tiska pokaže, da magneti od konvencionalnih odstopajo največ po (BH)max, medtem ko sta Hc in Br primerljivi. Upad energijskega produkta pri FDM in SL magnetih pripada dejstvu, da je magnetni material zamrežen v polimerni matrici, poleg tega pa tak kompozit izkazuje veliko poroznost. Tu se bolje izkaže SLS sintran magnet, pri katerem material ni zamrežen v kompozit. Kljub temu pa v študiji niso naknadno mehansko ali toplotno obdelali magnetov, zaradi česar sta SLS in SL magneta ostala dokaj porozna. Ob ustrezni obdelavi bi se izboljšala Hc in Br omenjenih magnetov. Magnetni material v SLS magnetu zaradi obratovanja SLS procesa pri visoki temperaturi izgubi del ekstrinzičnih lastnosti, kar tudi pripomore k upadu Hc in Br. [22], [30]

Slika 20: 7 × 5 × 5 mm³ magnetne kocke z nastavkom, natisnjene prek procesa a.) FDM, b.) SL, c.) SLS. [22]

29

Iz zgornje slike je razvidna površinska obdelava (ločljivost), ki je značilna za vsak proces 3D tiskanja – FDM kocka izpade slojevita, zaradi česar so mehanske lastnosti slabše, veliko je izrastkov iz površine, ki so posledica nepopolnega topljenja in premikanja ekstrudirne glave. SL kocka ima izmed vseh najboljšo ločljivost, še vedno pa utegne biti porozna in krhka, ker ni bila naknadno obdelana s toploto. SLS kocka ima zelo grobo ločljivost, ki je posledica sintranja pri visoki temperaturi, ima pa dobre mehanske lastnosti zaradi odsotnosti polimerne matrice. [21], [22], [29]

4.2.3 Napredne metode

R. Domingo - Roca in sodelavci so v študiji iz leta 2018 [31] s SL procesom zamrežili mehko-magnetni prah Fe3O4 v kompozitno mrežasto polovično sfero. Poleg inovativne oblike so obenem poskusili naknadno usmeriti kompozitni magnet z močnejšim NdFeB magnetom. To jim je uspelo brez izgube magnetnih ali strukturnih lastnosti kompozitnega magneta. Boljše od naknadnega usmerjanja delcev bi bilo sprotno usmerjanje, med samim tiskanjem. Študij s tem ciljem nisem uspel zaslediti, kot tudi ne takih, ki bi poskusile usmeriti trdo-magnetni kompozit.

Večkomponentno 3D tiskanje, omenjeno v poglavju 4.1.1., je preučevala študija iz leta 2021 pod vodstvom X. Zhanga in sodelavcev. [32] V polimerno matrico polikaprolaktona (PCL) so vpeljali dva prahova – aluminijev nitrid (AlN) in borov nitrid (BN). Čeprav nastali kompozit ni izkazoval magnetnih lastnosti, so raziskovalci preučevali mehanske lastnosti kompozitov z različnimi utežnimi odstotki prahov. Najboljše lastnosti je izkazal kompozit z 32 ut% AlN in 39% BN. Za različne magnetne materiale to ni dober podatek, saj so magnetni prahovi, omenjeni v poglavju 4.2.1., predstavljali 80-90 ut%. Pri manjših polnitvah (ut%) dobimo boljše mehanske lastnosti, ampak slabše magnetne lastnosti.

Verjetno najboljša kombinacija bi bil kompozitni magnet iz polimerne matrice, mehko- magnetnega (visoka polnitev) in trdo-magnetnega (nizka polnitev) materiala, podobno kot na sliki 17. Za ustrezni izkupiček magnetnih lastnosti bi pa velikost magneta morala biti reda 10^-2 – 10^-1 m. Tak velikostni red je dosegljiv le v večjih elektromotorjih (vodne ali vetrne turbine). [13], [32]

30

5 Zaključek

Z današnjim napredkom se zdi, da bodo učinkoviti 3D tiskani trajni magneti vsak čas prišli v uporabo. Za dober magnetni material potrebujemo ustrezne ekstrinzične in intrinzične lastnosti, ki zavisijo od načina in okolja uporabe magneta; s pravšnjim znanjem o magnetizmu se že v prvi stopnji odločimo za ustrezen material, nato pa s samo pripravo in postopkom izdelave izboljšamo magnetne in fizikalne lastnosti. 3D tiskanje nam s svojim inovativnim pristopom poda in natisne najboljšo obliko magneta, ki smo jo izračunali, modelirali ali pa empirično ugotovili.

Ker se elektrifikacija dogaja tako hitro, se bodo te tehnologije morale razviti, preden jih utegnejo zamenjati novejše, za katere sploh še ne vemo. Na tem področju je 3D tiskanje v zaostanku, saj bi lahko prednosti te tehnologije prišle v uporabo že kakšno desetletje nazaj, ko so se komponente dosti pocenile za masovno produkcijo. Kljub temu industrija elektromotorjev ponuja veliko možnosti za razvoj.

S primerjavo konvencionalnih in dodajalnih metod sem pokazal, da se 3D tiskanje še ne more kosati z ustaljeno prakso in produkti. S povsem optimizirano 3D metodo bi mogoče dobili konkurenčni izdelek, ampak bi pri tem porabili preveč časa in denarnih sredstev.

Verjetnejša napoved je, da se bodo ideje 3D tiska (kompleksne oblike, malo odpadkov, hitro proizvedeni unikati …) implementirale k obstoječim, konvencionalnim tehnikam.

Zaradi trajnostnih smernic, ki jih narekuje današnji svet, mora 3D tisk narediti korak naprej k masovni produkciji, drugače utegne ostati le na stranskem tiru nove tehnološke revolucije.

31

6 Viri

[1] “3DPI Beginner’s Guide to 3D Printing.” https://3dprintingindustry.com/3d- printing-basics-free-beginners-guide (pridobljeno 5.5. 2020)

[2] R. Kladnik and S. Kodba, Elektrika, magnetizem in atomi: učbenik za fiziko za gimnazije in srednje šole 3. Ljubljana: DZS, 2017.

[3] J. M. D. Coey, Rare-Earth Iron Permanent Magnets. Oxford: Clarendon Press, 1996, 1, 100-115

[4] “Magic of Magnets.” https://ece.northeastern.edu/fac-

ece/nian/mom/magic_of_magnetism (pridobljeno 1.5. 2021)

[5] B. Podmiljšak, “Študij lastnosti magnetnih prahov na osnovi nitridov zlitin Sm-Fe in Sm-Fe-Ta,” Ljubljana: Univerza v Ljubljani, 2004.

[6] J. M. D. Coey, “Permanent magnetism,” Solid State Commun., 1997, 102, 2–3, 101–105

[7] “Magnetic Materials: History.”

https://www.birmingham.ac.uk/Documents/college-

eps/metallurgy/research/Magnetic-Materials-Background/Magnetic-Materials- Background-1-History (pridobljeno 22.8.2021)

[8] J. M. D. Coey, Magnetism and magnetic materials, Cambridge: Cambridge University Press, 2010, 1, 1-617

[9] K. Kosmač, “Influence of additives on complex viscosity of polyphenylene sulfide (PPS) bonded Nd-Fe-B magnetic material,” Ljubljana: Jožef Stefan International Postgraduate School, 2018.

[10] “What is maximum energy product (BH)max and how does it correspond to magnet grade?” https://www.duramag.com/techtalk/tech-briefs/what-is-

maximum-energy-product-bhmax-and-how-does-it-correspond-to-magnet-grade (pridobljeno 30.4.2020)

[11] “Typical hysteresis loops for a permanent magnet.”

https://www.researchgate.net/figure/Typical-hysteresis-loops-for-a-permanent- magnet-The-response-of-a-magnet-to-an-applied_fig2_11010350

(pridobljeno 30.4.2020)

[12] “Magnetic Materials Background: 4. Classification of Magnetic Materials.”

https://studylib.net/doc/18118917/magnetic-materials-background--4.- classification-of-magnets (pridobljeno 1.8.2021)

[13] S. Kobe, “The future of the permanent magnets-based electric motors: How will the Rare Earths affect the electrification?,” Ljubljana: Jožef Stefan International

32

Postgraduate School, 2020

[14] “Magnetic hysteresis.” https://www.electronics-

tutorials.ws/electromagnetism/magnetic-hysteresis (pridobljeno 1.5.2020)

[15] M. Müller, H. Harada, and H. Warlimont, “Magnetic materials,” in Springer Handbooks, Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2018, 2, 753–807

[16] “Soft ferromagnetic materials.” https://www.informationpalace.com/magnetic- properties-of-materials (pridobljeno 20.8.2021)

[17] B. D. Cullity and C. D. Graham, Introduction to Magnetic Materials, Second Edition. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008, 2, 650-712

[18] “Stratasys.” https://www.stratasys.com (pridobljeno 20.8.2021)

[19] S. Kobe, “Development of complex shape multicomponent permanent magnets with the use of advanced 3D printing technology,” 2019. Available:

https://web.fs.uni-lj.si/cem/en/activities/projects-correct/electrospun-materials (pridobljeno 20.7.2021)

[20] L. Pigliaru et al., “3D printing of high performance polymer-bonded PEEK-NdFeB magnetic composite materials,” Funct. Compos. Mater., 2020, 1, 1, 1–17

[21] L. Li, B. Post, V. Kunc, A. M. Elliott, and M. P. Paranthaman, “Additive manufacturing of near-net-shape bonded magnets: Prospects and challenges,” Scr.

Mater., 2017, 135, 100–104

[22] C. Huber, G. Mitteramskogler, M. Goertler, I. Teliban, M. Groenefeld, and D.

Suess, “Additive manufactured polymer-bonded isotropic ndfeb magnets by stereolithography and their comparison to fused filament fabricated and selective laser sintered magnets,” Materials (Basel)., 2020, 13, 8, 1–8

[23] C. Huber et al., “3D print of polymer bonded rare-earth magnets, and 3D magnetic field scanning with an end-user 3D printer,” Appl. Phys. Lett., 2016, 109, 16, 1-10 [24] T. Jokinen, V. Hrabovcova, and J. Pyrhonen, Design of Rotating Electrical

Machines. John Wiley & Sons, 2013, 2, 560-612

[25] “Motor technology.” http://www.hamaco.jp/english/motor_technology (pridobljeno 20.8.2021)

[26] A. K. Bastola, M. Paudel, and L. Li, “Development of hybrid magnetorheological elastomers by 3D printing,” Polymer (Guildf)., 2018, 149, 213–228

[27] “Advanced Magnets.” http://www.advancedmagnets.com (pridobljeno 15.8.2021) [28] J. Jaćimović, F. Binda, L.G. Herrmann, F. Greuter, J. Genta, M. Calvo, T. Tomše, R.A. Simon, “Net Shape 3D Printed NdFeB Permanent Magnet,” Adv. Eng.

33

Mater., 2017, 19, 320-333

[29] C. Huber, M. Goertler, C. Abert, “Additive Manufactured and Topology Optimized Passive Shimming Elements for Permanent Magnetic Systems,” Sci.

Rep., 2018, 8, 1, 1–8

[30] K. Sonnleitner, C. Huber, I. Teliban, S. Kobe, B. Saje, D. Kagerbauer, M.

Reissner, C. Lengauer, M. Groenefeld, D. Suess, “3D printing of polymer-bonded anisotropic magnets in an external magnetic field and by a modified production process,” Appl. Phys. Lett., 2020, 116, 9, 121-288

[31] R. Domingo-Roca, J. C. Jackson, and J. F. C. Windmill, “3D-printing polymer- based permanent magnets,” Mater. Des., 2018, 153, 120–128

[32] X. Zhang, J. Wang, and T. Liu, “3D printing of polycaprolactone-based composites with diversely tunable mechanical gradients via multi-material fused deposition modeling,” Compos. Commun., 2020, 23, 100-201

34