一種利用3d打印技術(shù)制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的方法
【專(zhuān)利摘要】一種利用3D打印技術(shù)制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的方法，屬于復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體制備【技術(shù)領(lǐng)域】。先將磁性合金粉、粘合劑和助劑熔融混煉后，經(jīng)擠壓制備出一定直徑的磁性絲材，再利用3D打印設(shè)備的噴嘴將磁性絲材融化堆積并同時(shí)取向和固化，最終打印出所需的具有特定磁性和空間復(fù)雜形狀的粘結(jié)磁體產(chǎn)品。此方法能夠制備出任意空間復(fù)雜形狀及很薄的（小于0.4mm）粘結(jié)磁體，產(chǎn)品尺寸精度高，進(jìn)一步能夠在打印過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充磁和取向控制，能夠制備各向同性或各向異性的永磁產(chǎn)品，并且制備過(guò)程中無(wú)需原坯和模具，能大幅節(jié)省原材料和提高生產(chǎn)效率，工藝穩(wěn)定可靠，操作性強(qiáng)，可重復(fù)性高，適用于復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的批量生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種利用3D打印技術(shù)制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及利用3D打印技術(shù)制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁材料亦稱(chēng)硬磁材料，是最早發(fā)現(xiàn)和使用的磁性材料。將永磁材料在磁場(chǎng)中充磁后，去掉外磁場(chǎng)，仍能保留很強(qiáng)的磁性，而且不易被退磁，可在一定的空間提供一個(gè)恒定的工作磁場(chǎng)，從而得到廣泛的應(yīng)用。多數(shù)實(shí)用永磁材料用燒結(jié)、粘結(jié)、鑄造法制造，磁體又硬又脆，機(jī)械加工多采用磨削，難于制作形狀復(fù)雜和較薄的磁體，另外，對(duì)尺寸精度要求嚴(yán)格的磁體加工成本高,是價(jià)格貴的主要原因。
[0003]在20世紀(jì)70年代，研發(fā)了一種新型磁體:粘結(jié)磁體。粘結(jié)磁體是由永磁合金粉末與可撓性好的橡膠或質(zhì)量輕的塑料、樹(shù)脂等粘結(jié)材料按一定比例相混合，按用戶(hù)需求直接成型為各種形狀的永磁部件，使其既具有永磁材料的特性又具有塑料橡膠等易加工、易成型的特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著粘結(jié)磁體的磁性能顯著提高，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。粘結(jié)磁體有同性與異性之分，同性材料和異性材料因?yàn)槠浯判阅艿娘@著差異而應(yīng)用于各自不同的領(lǐng)域。同性材料是在無(wú)取向磁場(chǎng)的條件下，通過(guò)機(jī)械方式成型的一種永磁材料，其中尤以冰箱磁條、旅游、廣告、玩具、文具等領(lǐng)域的磁板應(yīng)用最為廣泛；異性粘結(jié)磁體則是在外加磁場(chǎng)或機(jī)械壓力作用下，使粘結(jié)體中的各項(xiàng)異性磁性合金粉的磁疇按一定方向取向排列而制成的一種永磁體，它具有遠(yuǎn)比同性粘結(jié)磁高的磁性能，成為各類(lèi)微特電機(jī)的理想恒磁源。
[0004]3D打印技術(shù)是指通過(guò)連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又被稱(chēng)為“增材制造”。并且3D打印技術(shù)無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。
[0005]利用3D打印技術(shù)來(lái)制備粘結(jié)磁體，不但避免了硬磁材料難以加工的問(wèn)題，運(yùn)用3D打印技術(shù)的制造靈活性和粘結(jié)磁體的易成型性，能夠制作形狀復(fù)雜和較薄的磁體，產(chǎn)品尺寸精度也得以提高，并且大幅節(jié)省原材料，降低了粘結(jié)磁體的生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的方法，即使用3D打印設(shè)備成型粘結(jié)磁體，一方面利用3D打印技術(shù)成型任意復(fù)雜空間幾何形狀的永磁體，另一方面在打印過(guò)程中可以對(duì)磁性材料逐層充磁，并且可以通過(guò)改變外加磁場(chǎng)來(lái)制備各向同性粘結(jié)永磁體或各向異性粘結(jié)永磁體。具體的工藝流程和參數(shù)如下:
(一)選擇磁性合金粉成分及粘結(jié)劑、助劑成分
(1)選擇滿(mǎn)足粘結(jié)磁體產(chǎn)品要求的磁性合金粉末，如鍶鐵氧體粉末、鋇鐵氧體粉末以及釹鐵硼的快淬粉、HDDR粉(氫爆粉)、氣霧化粉等，磁性合金粉粒度為5 μm~50 μ m ；
(2)選擇適用的粘結(jié)劑，包括偶聯(lián)劑(多采用硅烷系或鈦酸酯)、粘合劑(多采用樹(shù)脂和橡膠)和助劑(如潤(rùn)滑劑、增塑劑和熱穩(wěn)定劑等)，使用偶聯(lián)劑對(duì)磁性合金粉進(jìn)行表面處理，提高磁性合金粉與粘合劑之間的親和性；粘合劑可提供適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，并使分散的磁性合金粉粘結(jié)起來(lái)，使之成為具有一定強(qiáng)度的磁性制品；助劑能夠改善加工時(shí)物料的流動(dòng)性和穩(wěn)定性。
[0007](二)制備打印物料
(1)磁性合金粉混煉:使用少量偶聯(lián)劑對(duì)磁性合金粉進(jìn)行表面處理，隨后按體積百分比將磁性合金粉(70%~90%)、粘合劑(10%~30%)和助劑(1%~3%)混合后通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉，混煉溫度為80°C~300°C，混煉時(shí)間為5mirT60min ；
(2)制備打印物料:使用擠壓機(jī)將磁塑熔融體擠壓成直徑0.5mnT4mm的磁性絲材；
(三)三維建模
根據(jù)所需永磁產(chǎn)品的形狀和尺寸，使用三維建模軟件實(shí)現(xiàn)3D建模，并對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行分層切片處理；
(四)送料
將噴嘴加熱至50°C "600°C (根據(jù)磁性絲材的成分選擇最佳熔融溫度)后將擠出的磁性絲材插入送料裝置，利用給料速度控制儀和電腦程序精確控制送絲速度和調(diào)整噴嘴溫度，直到噴頭能迅速將磁性絲材熔融并能穩(wěn)定地?cái)D出細(xì)絲；
(五)3D打印
將三維模型導(dǎo)入3D打印設(shè)備中，受打印程序控制，打印機(jī)噴嘴加熱到50°C ^600°C (根據(jù)磁性絲材的成分選擇最佳熔融溫度)，送料裝置中的磁性絲材通過(guò)給料速度控制儀穩(wěn)定精確地送入噴嘴，其中的粘合劑`和助劑受熱迅速熔融液化，隨后噴撒到室溫的打印平臺(tái)上，粘合劑和助劑會(huì)迅速凝固，使磁性合金粉粘結(jié)在一起形成粘結(jié)磁體，如此將磁性合金粉一層層噴涂在基材上，最終形成了具有復(fù)雜空間幾何形狀的粘結(jié)永磁產(chǎn)品；
(六)充磁
在3D打印磁性合金粉逐層累積的過(guò)程中，通過(guò)外加磁場(chǎng)對(duì)永磁產(chǎn)品充磁，還可通過(guò)外加取向磁場(chǎng)控制粘結(jié)磁體的取向，制備各向同性粘結(jié)磁體或各向異性粘結(jié)磁體。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:
(I)本發(fā)明提供一種利用3D打印技術(shù)制備粘結(jié)磁體的方法，運(yùn)用3D打印技術(shù)的制造靈活性和粘結(jié)磁體的易成型性，能夠制備任意復(fù)雜形狀和很薄(小于0.4mm)的粘結(jié)磁體。
[0009](2)3D打印無(wú)需原坯和模具，能夠大幅度節(jié)省原材料，且打印出的產(chǎn)品僅需要少量或不需要后續(xù)機(jī)械加工，降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期，使得生產(chǎn)效率大大提高。
[0010](3)打印過(guò)程中可對(duì)永磁產(chǎn)品進(jìn)行充磁和取向控制，能夠制得各向同性或各向異性的永磁產(chǎn)品。
[0011](4)此方法制備粘結(jié)磁體穩(wěn)定可靠，操作性強(qiáng)，可重復(fù)性高，產(chǎn)品尺寸精度高，可制備超薄微型永磁產(chǎn)品，滿(mǎn)足各類(lèi)微特電機(jī)對(duì)永磁配件的需求。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施實(shí)例1:利用3D打印技術(shù)制備鐵氧體粘結(jié)磁體
1.確定磁性合金粉成分及粘結(jié)劑、助劑成分
(I)選擇平均粒度為50 μ m的鍶鐵氧體粉末作為原料磁性合金粉； (2 )偶聯(lián)劑為硅烷系KH-550，粘合劑為尼龍6，以及少量的抗氧劑(0.4%)、潤(rùn)滑劑(0.7%)、熱穩(wěn)定劑(0.2%)，上述百分比均為體積百分比；
2.制備打印物料
(1)磁性合金粉混煉:將2g硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)溶入200ml溶劑乙醇中，攪拌均勻后，與IOOOg鍶鐵氧體粉末充分混勻，然后將乙醇揮發(fā)，完成對(duì)鍶鐵氧體粉末的表面處理，再將鍶鐵氧體粉末、粘合劑(尼龍6)及少量的抗氧劑、潤(rùn)滑劑等助劑通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融混合，混煉溫度為210°C，混煉時(shí)間為lOmin，混煉后制成的磁塑熔融體成分為:尼龍6占20%，抗氧化劑占0.4%，潤(rùn)滑劑占0.7%，熱穩(wěn)定劑占0.2%，其余為鍶鐵氧體粉末，上述百分比為體積百分比；
(2)擠壓:將磁塑熔融體送入塑料擠壓機(jī)料斗中，在210°C將磁塑熔融體擠壓成直徑為Imm的磁性絲材；
3.三維建模:根據(jù)所需永磁產(chǎn)品的形狀和尺寸，使用三維建模軟件實(shí)現(xiàn)3D建模，并對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行分層切片處理；
4.送料:3D打印設(shè)備噴嘴加熱至250°C后，將擠出的磁性絲材插入送料裝置，并調(diào)整絲材的送料速度和噴嘴的加熱溫度，直到噴頭穩(wěn)定地?cái)D出熔融的細(xì)絲；
5.3D打印:將三維模型導(dǎo)入3D打印設(shè)備中，受打印程序控制，打印機(jī)噴嘴加熱到250°C，受熱后磁性絲材中的粘合劑(尼龍6)和助劑迅速熔融，噴撒到打印平臺(tái)上粘合劑和助劑會(huì)迅速凝固，使磁性合金粉粘接在一起，如此將磁性合金粉一層層噴涂在基材上，形成了具有復(fù)雜空間幾何形狀的粘結(jié)鐵氧體產(chǎn)品；
6.充磁:通過(guò)外加的磁場(chǎng)發(fā)生器，在粘合劑和助劑再次凝固使磁性合金粉逐層累積的過(guò)程中，對(duì)鐵氧體粘結(jié)磁體進(jìn)行充磁。
[0013]最終獲得最大磁能積[(BH)maJ為13.7kJ/m_3、矯頑力(Heb)為189.2kA/m、剩磁Br為298mT的粘結(jié)鐵氧體，滿(mǎn)足產(chǎn)品使用要求。
[0014]實(shí)施實(shí)例2:利用3D打印技術(shù)制備釹鐵硼粘結(jié)磁體
1.確定磁性合金粉成分及粘結(jié)劑、助劑成分
(1)選擇平均粒度為15μ m的釹鐵硼HDDR (氫爆)粉末作為原料磁性合金粉；
(2)偶聯(lián)劑為硅烷系A(chǔ)-1100，粘合劑為尼龍12，以及少量的抗氧劑、潤(rùn)滑劑、熱穩(wěn)定劑和增塑劑。
[0015]2.制備打印物料
Cl)磁性合金粉混煉:將IOg硅烷偶聯(lián)劑(A-1100)溶入150ml溶劑丙酮中，攪拌均勻后，與1500g釹鐵硼合金粉充分混勻，然后將丙酮揮發(fā)，完成對(duì)釹鐵硼合金粉表面處理，再將釹鐵硼合金粉、粘合劑(尼龍12)及少量的抗氧劑、潤(rùn)滑劑、熱穩(wěn)定劑和增塑劑等助劑通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融混合，混煉溫度為260°C，混煉時(shí)間30min，在制成的磁塑熔融體中，尼龍12占總體積的15%，抗氧劑占0.5%、潤(rùn)滑劑占1%、熱穩(wěn)定劑占0.5%、增塑劑占0.6%，其余為釹鐵硼合金粉，上述百分比為體積百分比；
(2)擠壓:將磁塑熔融體送入塑料擠壓機(jī)料斗中，在260°C將磁塑熔融體擠壓成直徑為4mm的磁性絲材；
3.三維建模
根據(jù)所需永磁產(chǎn)品的形狀和尺寸，使用三維建模軟件實(shí)現(xiàn)3D建模，并對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行分層切片處理；
4.送料:3D打印設(shè)備的噴嘴加熱至280°C后將磁性絲材插入送料裝置，并調(diào)整絲材的送料速度和噴嘴的加熱溫度，直到噴頭穩(wěn)定地?cái)D出熔融的細(xì)絲；
5.3D打印:將三維模型導(dǎo)入3D打印設(shè)備中，受打印程序控制，打印機(jī)噴嘴加熱到280°C，，受熱后磁性絲材中的粘合劑(尼龍12)和助劑迅速熔融，噴撒到打印平臺(tái)上粘合劑和助劑會(huì)迅速凝固，使釹鐵硼合金粉粘接在一起，如此將釹鐵硼合金粉一層層噴涂在基材上，形成了具有復(fù)雜空間幾何形狀的釹鐵硼粘結(jié)磁體；
6.充磁:通過(guò)外加的磁場(chǎng)發(fā)生器，在粘合劑和助劑會(huì)再次凝固使磁性合金粉逐層累積的過(guò)程中，對(duì)釹鐵硼粘結(jié)磁體進(jìn)行充磁及取向控制，制得各向異性的釹鐵硼粘結(jié)磁體。
[0016]最終獲得最大磁能積[(BH).]為 133.4kJ/m_3、矯頑力(Heb)為 583.AkAAT1^lJ磁B,為850mT的釹鐵硼粘結(jié)磁體，根據(jù)公式Q= Br/[Br (p) -V]計(jì)算出粘結(jié)磁體的取向度Q為89.2%，其中和(p)分別表示磁體`和磁性合金粉的剩磁，滿(mǎn)足產(chǎn)品使用要求。
【權(quán)利要求】
1.一種利用3D打印技術(shù)制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、使用偶聯(lián)劑對(duì)磁性合金粉進(jìn)行表面處理，偶聯(lián)劑的用量為磁性合金粉質(zhì)量的0.1%~5%，隨后按體積百分比將磁性合金粉70%~90%、粘合劑10%~30%和助劑1%~3%混合后通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉，制成磁塑熔融體，混煉溫度為80°C ~30(TC，混煉時(shí)間為5min~60min ； 步驟二、使用擠壓機(jī)將磁塑熔融體擠壓成直徑為0.5mnT4mm的磁性絲材； 步驟三、根據(jù)所需永磁產(chǎn)品的形狀和尺寸，使用三維建模軟件實(shí)現(xiàn)永磁產(chǎn)品的3D建模，并對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行分層切片處理； 步驟四、將噴嘴加熱至50°C飛00°C后將擠出的磁性絲材插入送料裝置，控制送料速度和噴嘴溫度,使絲材熔融并能穩(wěn)定地?cái)D出細(xì)絲； 步驟五、將永磁產(chǎn)品三維模型參數(shù)導(dǎo)入3D打印設(shè)備中，打印出復(fù)雜空間形狀的粘結(jié)磁體產(chǎn)品； 步驟六、在3D打印磁性合金粉逐層堆積的過(guò)程中，通過(guò)外加磁場(chǎng)對(duì)永磁產(chǎn)品充磁，還可通過(guò)外加取向磁場(chǎng)控制粘結(jié)磁體的取向，制備各向同性粘結(jié)磁體或各向異性粘結(jié)磁體。
2.如權(quán)利要求1所述的制備復(fù)雜形狀粘結(jié)磁體的方法，其特征在于:所述的磁性合金粉為鍶鐵氧體粉末、鋇鐵氧體粉末、釹鐵硼的快淬粉、HDDR粉或氣霧化粉，磁性合金粉粒度
·5 μ m~50 μ m?！?br> 【文檔編號(hào)】H01F41/02GK103854844SQ201410101034
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】郭志猛, 張欣悅, 郭雷辰, 葉青, 柏鑒玲, 于海華, 徐延龍 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)