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Stephen Moore | 07. November 2016

Wissenschaftler stellten isotrope, endkonturnahe Neodym-Eisen-Bor-gebundene Magnete (NdFeB) in der Manufacturing Demonstration Facility des DOE am ORNL mithilfe der Big Area Additive Manufacturing (BAAM)-Maschine her. Das in Scientific Reports veröffentlichte Ergebnis war ein Produkt mit vergleichbaren oder besseren magnetischen, mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften als Verbundmagnete, die im herkömmlichen Spritzgussverfahren mit derselben Zusammensetzung hergestellt wurden.

Verbundpellets werden geschmolzen, zusammengesetzt und Schicht für Schicht in die gewünschte Form extrudiert.

Der additive Herstellungsprozess begann mit Verbundpellets, die aus 65 Volumenprozent isotropem NdFeB-Pulver und 35 Prozent Polyamid (PA 12) bestanden und von Magnet Applications, Inc. hergestellt wurden. Die Pellets wurden von BAAM geschmolzen, zusammengesetzt und Schicht für Schicht in die gewünschten Formen extrudiert .

Während bei der herkömmlichen Herstellung gesinterter Magnete ein Materialabfall von bis zu 30 bis 50 Prozent anfallen kann, werden bei der additiven Fertigung diese Materialien einfach erfasst und nahezu abfallfrei wiederverwendet, sagte Parans Paranthaman, Hauptforscher und Gruppenleiter in der Abteilung für chemische Wissenschaften des ORNL. Das Projekt wurde vom Critical Materials Institute (CMI) des DOE finanziert.

Besonders wichtig ist die Verwendung eines materialsparenden Prozesses bei der Herstellung von Permanentmagneten aus Neodym und Dysprosium – seltenen Erdelementen, die außerhalb der USA abgebaut und abgetrennt werden. NdFeB-Magnete sind die stärksten auf der Erde und werden in allen Bereichen eingesetzt, von Computerfestplatten und Kopfhörern bis hin zu sauberen Energietechnologien wie Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen.

Der Druckprozess spart nicht nur Material, sondern erzeugt auch komplexe Formen, erfordert keine Werkzeuge und ist schneller als herkömmliche Spritzverfahren, was möglicherweise zu einem wesentlich wirtschaftlicheren Herstellungsprozess führt, sagte Paranthaman.

„Die Herstellung verändert sich schnell und ein Kunde benötigt möglicherweise 50 verschiedene Designs für die Magnete, die er verwenden möchte“, sagte ORNL-Forscher und Co-Autor Ling Li. Herkömmliches Spritzgießen würde die Kosten für die Herstellung einer neuen Form und eines neuen Werkzeugs für jede Form erfordern, aber mit der additiven Fertigung können die Formen mithilfe computergestützter Konstruktion einfach und schnell hergestellt werden, erklärte sie.

Zukünftige Arbeiten werden das Drucken anisotroper oder gerichteter Verbundmagnete untersuchen, die stärker sind als isotrope Magnete, die keine bevorzugte Magnetisierungsrichtung haben. Die Forscher werden außerdem den Einfluss des Bindemitteltyps, des Beladungsanteils des Magnetpulvers und der Verarbeitungstemperatur auf die magnetischen und mechanischen Eigenschaften gedruckter Magnete untersuchen.

Alex King, Direktor des Critical Materials Institute, glaubt, dass diese Forschung ein enormes Potenzial hat. „Die Möglichkeit, hochfeste Magnete in komplexen Formen zu drucken, verändert die Entwicklung effizienter Elektromotoren und Generatoren grundlegend“, sagte er. „Es beseitigt viele der Einschränkungen, die die heutigen Herstellungsmethoden mit sich bringen.“

„Diese Arbeit hat das Potenzial der additiven Fertigung für die Herstellung einer breiten Palette magnetischer Materialien und Baugruppen aufgezeigt“, sagte Co-Autor John Ormerod. „Magnet Applications und viele unserer Kunden freuen sich darauf, die kommerziellen Auswirkungen dieser Technologie in naher Zukunft zu erkunden“, erklärte er.

An dem Projekt beteiligten sich Ling Li, Angelica Tirado, Orlando Rios, Brian Post, Vlastimil Kunc, RR Lowden und Edgar Lara-Curzio vom ORNL sowie die Forscher IC Nlebedim und Thomas Lograsso, die mit CMI am Ames Laboratory arbeiten. Robert Fredette und John Ormerod von Magnet Applications Inc. (MAI) trugen durch eine MDF-Technologie-Zusammenarbeit zu dem Projekt bei. Das Advanced Manufacturing Office des DOE unterstützt die Manufacturing Demonstration Facility des ORNL, eine öffentlich-private Partnerschaft zur Zusammenarbeit der Industrie mit nationalen Labors.

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