Миниатюрные постоянные магниты можно будет печатать на 3D-принтере

13:59, 6 октября 2022

Они будут полезны при создании электродвигателей для кардиостимуляторов

Технология 3D-печати на 30 % сокращает время производства магнитов. Фото: Оксана Мелещук.

Ученые УрФУ и УрО РАН определяют оптимальные условия 3D-печати постоянных магнитов из магнитотвердых соединений на основе редкоземельных металлов. Это позволит запустить мелкосерийное производство магнитов, придавать им любые формы в процессе изготовления и создавать сложные конфигурации магнитов. Такие магниты подойдут для миниатюрных электродвигателей и электрогенераторов, на которых работают кардиостимуляторы. Кроме того, данная технология минимизирует производственные отходы и имеет более короткий производственный цикл. Описание метода и результаты эксперимента представлены в журнале Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Создание сложных и мелких магнитов является непростой научной и технической задачей, однако они востребованы в различных специализированных приложениях, в первую очередь, медицинских. Одним из наиболее перспективных способов создания деталей сложной формы из магнитотвердых материалов является 3D-печать. Уральским ученым удалось определить оптимальные параметры 3D-печати постоянных магнитов методом селективного лазерного спекания. Это метод аддитивного производства, в котором магнитный материал в виде порошка послойно спекается в объемное изделие заданной формы по заранее созданной 3D-модели. Такая технология позволяет изменять внутренние свойства магнита почти на всех этапах производства. Например, изменять химический состав соединения, степень пространственной ориентации кристаллитов и кристаллографической текстуры, влиять на коэрцитивную силу (устойчивость к размагничиванию).

«Производство маленьких магнитов — сложная задача. Сейчас их создают только путем разрезания большого магнита на части, из-за механической обработки около половины использованного материала превращается в мусор. Также при резке вносится большое количество дефектов в приповерхностный слой, из-за чего свойства магнита экстремально ухудшаются. Аддитивные технологии позволяют избежать этого и делать сложные магниты, например, с одним северным полюсом и двумя пространственно разнесенными южными или магнит с пятью южными и пятью северными полюсами сразу. Подобные конфигурации необходимы для кардиостимуляторов, в которых собрать ротор для электродвигателя из отдельных магнитов можно разве что под микроскопом», — поясняет доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов, научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Дмитрий Незнахин.

Сейчас ученым удалось изготовить тонкие, порядка одного миллиметра, постоянные магниты, свойства которых были схожи с промышленно выпускаемыми магнитами. Основой послужил порошок, содержащий самарий, цирконий, железо и титан. Соединение обладает подходящими характеристиками для постоянных магнитов, однако традиционные способы изготовления лишают соединение большей части свойств. Поэтому ученые решили проверить, удастся ли сохранить свойства с помощью новой технологии.

«При создании постоянных магнитов на основе данных соединений традиционными способами свойства готовых изделий далеки от теоретически предсказываемых. Мы выяснили, что при спекании образца добавление легкоплавкого порошка из сплава самария, меди и кобальта позволяет сохранить магнитные характеристики основного магнитного порошка. Этот сплав плавится при температурах более низких, чем изменяются свойства основного сплава, поэтому итоговый материал сохраняет коэрцитивную силу и плотность», — добавляет Дмитрий Незнахин.

В настоящий момент ученые устанавливают основные закономерности формирования микроструктуры и магнитных свойств магнитотвердых материалов, определяют, какие из магнитных материалов могут быть использованы для изготовления постоянных магнитов с использованием метода лазерного спекания. В том числе проверяют, как метод спекания влияет на свойства другой известной основы для магнитов — сплава неодима, железа и бора. Следующим этапом работы будет изготовление объемных постоянных магнитов, пригодных для практического приложения. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-72-10104).

Справка

Постоянные магниты остаются источниками магнитного поля продолжительное время. Это свойство используется в самых разных отраслях и устройствах, например, для производства современных электродвигателей, бытовой и компьютерной техники и других приборов. Традиционные методы изготовления постоянных магнитов позволяют создавать только изделия большого размера и, как правило, с двумя полюсами — одним северным и одним южным.

Селективное лазерное спекание — это метод аддитивного производства, который заключается в спекании мелкодисперсного порошкового (обычно металлического) материала с помощью лазера. Процесс нацеливания лазера осуществляется автоматически по заранее созданной 3D-модели, которая может быть создана в графическом редакторе.