Dauermagnete aus dem 3D-Drucker

Herstellung mit isotropen Neodym-Eisen-Bor Partikeln und thermoplastischen Bindemitteln

  • Abb. 1: 3D-Drucker zur Fertigung von Dauermagneten. (a) Kommerzieller Drucker Builder 3D. (b) Erweiterung des 3D-Druckers zur Streufeldmessung mittels 3D-Hall Sensor. (c) REM Aufnahmen des Neofer  25/60p Compound der Magnetfabrik Bonn GmbH.Abb. 1: 3D-Drucker zur Fertigung von Dauermagneten. (a) Kommerzieller Drucker Builder 3D. (b) Erweiterung des 3D-Druckers zur Streufeldmessung mittels 3D-Hall Sensor. (c) REM Aufnahmen des Neofer 25/60p Compound der Magnetfabrik Bonn GmbH.
  • Abb. 1: 3D-Drucker zur Fertigung von Dauermagneten. (a) Kommerzieller Drucker Builder 3D. (b) Erweiterung des 3D-Druckers zur Streufeldmessung mittels 3D-Hall Sensor. (c) REM Aufnahmen des Neofer  25/60p Compound der Magnetfabrik Bonn GmbH.
  • Abb. 2: Beispiel von gedruckten Dauermagneten. (a) Modell eines Magneten mit einem spezifischen Streufeld oberhalb des Magneten. (b) Foto des gedruckten Magneten. (c) Vergleich zwischen des simulierten idealen und dem gedruckten Magneten. (d) Magnetisches Joch wo die Pole aus magnetischen und der Rest aus nichtmagnetischen Material gedruckt sind. (e) Streufeldmessung zwischen den Polen.
Christian Huber1, Martin Grönefeld1, Dieter Süss1
 
Mittels 3D-Drucker ist es mittlerweile möglich so gut wie alles zu drucken, von kompliziert geformten Kunststoffteilen bis hin zu ganzen Häusern. Doch das ist noch nicht genug, bei einer Kooperation zwischen dem Christian Doppler Labor für „Advanced Magnetic Sensing and Materials“ an der TU-Wien und der Magnetfabrik Bonn GmbH kommen jetzt auch Dauermagnete aus dem 3D-Drucker [1].
 
In diesem Artikel wird ein Verfahren vorgestellt um polymergebundene Permanentmagnete mittels eines handelsüblichen kostengünstigen 3D-Druckers herzustellen. Dabei werden isotrope Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Partikel mit einem thermoplastischen Bindemitteln zu druckfähigen Granulat compoundiert und anschließend zu Filamenten extrudiert. Das so erzeugte Magnetmaterial wird charakterisiert und der Druckprozess wird anhand Beispielen auf seine Tauglichkeit geprüft. Dabei wird unter anderem ein Magnet mit einer speziellen Form vorgestellt, der ein spezifisches Streufeld über dem Magneten erzeugt. Die gedruckten Objekte sind nach dem Druckprozess noch nicht magnetisch, erst in einer Pulsspule werden die Teile mit 4 Tesla aufmagnetisiert. Um das magnetische Feld der gedruckten Magnete zu messen, wird der 3D-Drucker mittels eines 3D-Hall-Sonde zu einer Streufeldmesssystem aufgerüstet. Die erzeugten Objekte zeigen eine hohe Maßgenauigkeit, sowie stimmt das gemessene Feld sehr gut mit Simulationsergebnissen überein.
 
Polymergebundene Dauermagnete
 
Dauermagnete werden überall dort eingesetzt, wo permanente Magnetfelder benötigt werden. Beispielanwendungen sind elektrische Generatoren, Lautsprecher und Mikrofone. Konventionelle Dauermagnete werden meistens mittels Sintern hergestellt. Doch durch die Vorteile der Kunststofftechnik die sich u. a. durch eine hohe geometrische Gestaltungsfreiheit sowie der Rationalisierung der Fertigung auszeichnen, gewinnen kunststoffgebundene Dauermagnete an Bedeutung. Heute werden polymergebundene Hartferrite und NdFeB  Magnete in großen Stückzahlen in speziell modifizierten Spritzgußmaschinen hergestellt.

Die so erzeugten Magnete lassen sich in vielfältigen Formen herstellen und können dabei auch mechanische Funktionen übernehmen. Dabei besitzt das Compound einen Füllstoffanteil von 45-65 vol.-%. Durch den geringeren Anteil an Magnetmaterial besitzen polymergebundene Magnete nur ca. das halbe Energiedichteprodukt BHmax. Die Anwendungen von kunststoffgebunden Magneten werden trotz niedrigeren magnetischen Werten immer zahlreicher. Zur Zeit gibt es kein Verfahren für die Prototypenfertigung von Dauermagneten mit einer komplexen Strukturen.

Für Spritzgießen wie auch für den 3D-Druck von hoch gefüllten Kunststoffen ist eine niedrige Viskosität des Matrixmaterials vorteilhaft, da es ansonsten zu Problemen beim Extrudiervorgang kommen kann. Weiteres sollte das Material gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Polyamide haben eine gute Kombination von diesen Eigenschaften. Technisch relevant sind PA6, PA11 und PA12. In dieser Arbeit wird das Material Neofer 25/60p von der Magnetfabrik Bonn verwendet. Dabei handelt es sich um ein Compound aus NdFeB Partikeln in einer PA11 Matrix. Thermogravimetrische Messungen zeigen einen Füllstoffgehalt von 90 m.-%. In Abbildung 1(c) ist eine Rasterelektronenmikroskopieaufnahme (REM) des Compounds zu sehen. Die magnetischen Partikeln sind Kugelförmig und haben einen Durchmesser von 50±20 µm. Das Material wurde am Department of Polymer Engineering and Science an der Montanuniversitaet Leoben mittels eines Doppelschneckenextruder in einen für 3D-Drucker benötigtes Filament mit einem Durchmesser von 1,75 mm extrudiert.
 
3D-Drucker und Streufeldscanner
 
Für die Herstellung der Dauermagnete wird ein handelsüblicher 3D-Drucker verwendet (Abb. 1 (a)). Diese verwenden üblicherweise das „fused deposition modeling“ (FDM) System. Dabei wird das Objekt Schicht für Schicht mittels einer schmelzbaren Thermoplaste erzeugt. Das Filament wird dabei über seinen Schmelzpunkt erhitzt und mit Hilfe eines Extruders und einer beweglichen Düse auf die bereits erstarrten Schichten des Objektes aufgetragen. Wichtig dabei ist, dass der Drucker für die oben beschriebenen Materialien eine minimale Drucktemperatur von 260 °C unterstützt. Um das magnetische Compound mit einen hohen Füllstoffanteil und Partikeldurchmesser von mehr als 50 µm drucken zu können, ist ein Düsendurchmesser von mindestens 0,4 mm erforderlich um ein verstopfen der Düse zu vermeiden. Die Auflösung von heute gebräuchlichen Heimanwender 3D-Drucker liegt meist bei 0,1 mm in der x- und y-Achse und bis zu 0,01 mm für die z-Achse. Dies reicht für die meisten Anwendungen aus.
Um das Streufeld der gedruckten Dauermagnete nach dem aufmagnetisieren zu messen, wurde der 3D-Drucker mittels eines 3D-Hall Sensors erweitert. Um genaue Streufeldmessungen der Magnete anzufertigen, ist eine exakte Positionierung des Sensors notwendig. Das Problem dabei ist, dass dies zu einer komplizierten Halterung des Sensors führen würde. Wir haben hier dieses Problem gelöst, indem wir eine Kalibrierung des Sensors mit der Hilfe einer nummerischen Simulation durchführen. Dabei wird das Feld eines bekannten Körpers (z.B. eines Zylindermagneten) mittels finite-elemente-methoden (FEM) simuliert und die selbe Struktur mit dem 3D-Streufeldscanner gemessen. Mit der Lösung der Simulation und der Messung des Feldes lässt sich ein Optimierungsproblem lösen, in welchem der Fehler zwischen beiden Lösungen minimiert wird. Durch diese Methode lässt sich die Position und die Winkel bezogen auf das zu messende Objekt bestimmen. Dadurch ist es möglich, auf eine komplexe Haltung zu verzichten. In unserem Fall wurde die Haltung selbst gedruckt und an dem Extruder befestigt (Abb. 1 (b)).
 
Gedruckte Permanentmagnete
 
Um den Druckprozess und die verwendeten Materialien auf seine Tauglichkeit hin zu überprüfen, werden nachfolgend zwei Beispiele beschrieben. Das erste Beispiel ist eine Struktur, welche das Streufeld in x- und y-Richtung minimiert aber Gleichzeitig das Feld in der z-Achse maximiert [2]. Dieser Typ von Magnet ist z. B. für Antiblockiersystem (ABS) Sensor Anwendungen im Automobilbereich notwendig. Abbildung 2(a) zeigt ein Model des Magneten und in Abbildung 2(b) ist ein Foto des gedruckten Magneten zu sehen. Nach dem Druckvorgang wird der Magnet in einer Pulsspule mit einer maximalen Flussdichte von 4 T aufmagnetisiert. Danach besitzt der Magnet seine dauermagnetischen Eigenschaften. In Abbildung 2(c) ist der Streufeldverlauf oberhalb des Magneten verglichen mit der FEM Simulation des perfekten Dauermagneten zu sehen. Wie ersichtlich passen der gemessene Feldverlauf sehr gut mit der Simulation überein. Das zweite Beispiel ist ein Multimaterialdruck, wobei Teile der Struktur mit reinem Polyamid sind und andere Teile aus magnetischem Material bestehen. Abbildung 2(d) zeigt ein magnetisches Joch, wobei nur die Pole aus magnetischen Materialien bestehen. Das Streufeld zwischen den Polen ist in Abbildung 2(e) zu sehen.
Hysteresemessungen von den gedruckten Teilen zeigen eine um etwa 25 % geringere Energiedichte als für Teile die im Spritzgussferfahren hergestellt wurden. Dies lässt sich mit einer verringerten Dichte der Objekte erklären. Die Dichte der gedruckten Teile ist um 22 % geringer, was auf Lufteinschlüsse und eine geringere Komprimierbarkeit der gedruckten Magnete zurückzuführen ist.
 
Zusammenfassung
 
Hier wurde eine Methode vorgestellt, um polymergebundene Dauermagnete mittels eines kostengünstigen 3D-Druckers herzustellen. Dabei sind keine teuren Maschinen oder Ausrüstung notwendig. Damit ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für die Wissenschaft als auch für die industrielle Einzelteilfertigung. Weiteres ist es mit diesem System auch möglich einfach und genaue Streufeldmessungen durchzuführen. Beispiele zeigen die Effektivität des Druckprozesses, wobei die Streufeldmessung sehr gut mit Simulationsergebnissen übereinstimmt.
Das System soll in Zukunft weiter getestet werden und bietet die Möglichkeit Magnete herzustellen, die in unterschiedlichen Bereichen verschiedene Materialzusammensetzungen besitzen. Zusätzlich soll das magnetische Material gleich während des Druckvorgangs aufmagnetisiert werden, was die Möglichkeit bietet unterschiedliche Bereiche des Magneten in unterschiedliche Richtungen aufzumagnetisieren. Dies ist bis dato mit keinem anderen Verfahren möglich. So sind Magnete realisierbar, die ein genau vorgegebenes Streufeld besitzen. Auch soll die Dichte der gedruckten Teile erhöht werden, um die selben magnetischen Eigenschaften zu besitzen, wie Teile die im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
 
 
Zugehörigkeit
1Technische Universität Wien, Christian Doppler Laboratory for Advanced Magnetic Sensing and Materials, Wien, Österreich
 
Kontakt  
Technische Universität Wien
Christian Doppler Laboratory for Advanced Magnetic Sensing and Materials
Wien, Österreich
christian.huber@tuwien.ac.at
 

Referenzen
[1] C. Huber et al. Appl. Phys. Let. 109, 162401 (2016)
[2] F. Bruckner et al. J. Magn. Magn. Mater. 401, 875 (2016)

 

 

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