與商業(yè) NO ~6.5% 和 ~3% 的硅鋼片相比，L-PBF 基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印處理的硅鋼顯示出相似的磁極化。目前在 AM-增材制造加工的軟鋼中尚未實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的優(yōu)選顆粒取向。

3D打印軟磁材料的核心改進(jìn)是通過氣隙設(shè)計(jì)（平行和垂直于構(gòu)建方向）實(shí)現(xiàn)的。相比之下，對(duì)于典型的商業(yè)材料，總磁芯損耗要低得多。

降低 AM 軟磁材料渦流損耗的策略：(a) 垂直于打印方向的內(nèi)部氣隙 (b) 平行于構(gòu)建方向的有限氣隙 + 金屬間化合物層 (ce)與構(gòu)建方向平行的寬闊氣隙

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不過，3D科學(xué)谷了解到目前為止，3D 打印軟磁材料中的過量鐵芯損耗幅度和行為尚未得到徹底研究。L-PBF(SLM) 基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印制備的硅鋼是迄今為止研究最徹底的增材制造軟磁鋼。當(dāng)通過優(yōu)化工藝制備時(shí)，可以獲得適合電機(jī)結(jié)構(gòu)的材料特性：即從高純度粉末通過L-PBF 3D打印制備的接近完全致密的樣品。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，除了L-PBF(SLM) 基于粉末床的選區(qū)激光熔化金屬3D打印工藝，F(xiàn)raunhofer IFAM將金屬3D 絲網(wǎng)打印工藝應(yīng)用到新電力驅(qū)動(dòng)的軟磁組件。Fraunhofer IFAM通過3D打印實(shí)現(xiàn)的潛在成本降低的一個(gè)具體例子是異步電機(jī)中的軟磁組件。3D科學(xué)谷了解到最新的科研進(jìn)展情況是磁芯損耗可降低 10%，生產(chǎn)中的材料成本可降低 20%。Fraunhofer IFAM通過各種措施，例如使絲網(wǎng)打印過程完全自動(dòng)化和增加可用的絲網(wǎng)面積，提高了整個(gè)過程的生產(chǎn)率。因此，異步電機(jī)生產(chǎn)中的二氧化碳排放量可減少約 20%，在片材包裝中可減少約 40%。

 硬磁材料的增材制造

在電機(jī)中，硬磁材料（永磁體）用于在不施加電流的情況下產(chǎn)生磁通量。由于這些材料用于存儲(chǔ)磁能，因此寬磁滯回線區(qū)域是必不可少的。

表 ：用于電機(jī)應(yīng)用的常用永磁材料

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傳統(tǒng)制造方法（燒結(jié)和粘合）生產(chǎn)復(fù)雜的網(wǎng)狀永磁體具有挑戰(zhàn)性�？尚械拇朋w拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是有限的，因?yàn)檫@些技術(shù)涉及模具和壓制工具，生坯零件在燒結(jié)時(shí)也會(huì)經(jīng)歷顯著的收縮（高達(dá) 25% vol）。

與軟磁材料類似，已建議使用3D打印-增材制造方法來生產(chǎn)拓?fù)鋬?yōu)化形狀的永磁體。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，稀土永磁材料是第三代永磁材料，主要包括稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料。前者是稀土元素鈰、鐠、鑭、釹等和鈷形成的金屬間化合物，主要用于低速轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)、傳感器、磁推軸承等的磁系統(tǒng)。后者釹鐵硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矯頑力和最大磁能積比前者高，不易碎，有較好的機(jī)械性能，合金密度低，有利于磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化。

隨著3D打印技術(shù)進(jìn)一步打開復(fù)合材料的制造空間，在 AM-增材制造硬磁材料的情況下，存儲(chǔ)更多磁能的主要障礙仍然是相對(duì)較低的硬磁相密度。3D打印磁體通常表現(xiàn)出大的孔隙率和/或粘結(jié)劑含量，因此飽和磁化強(qiáng)度低（最大能量密度與 Js2 成正比）。

同時(shí)，3D科學(xué)谷了解到目前3D打印-增材制造的永磁樣品表現(xiàn)出相對(duì)較高的矯頑力：在大多數(shù)研究中達(dá)到 700-800 kJm-1。這可歸因于 AM 材料固有的有限顆粒結(jié)構(gòu)和高結(jié)構(gòu)雜質(zhì)含量。除了 NdFeB，其他硬磁化合物的 3D 打印不太常見，包括 ALNiCo、SmCo和鐵氧體磁體的一些實(shí)例。

此前，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，ORNL美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過將NdFeB稀土粉末與聚合物混合在一起，然后通過熔融擠出頭將材料擠壓出來，一層一層復(fù)合而成產(chǎn)品的形狀。復(fù)合顆粒中65%體積的材料為各向同性的NdFeB磁粉，35%體積的材料為聚酰胺（尼龍）。

3D打印電機(jī)永磁體

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尼龍是一種很常見的、用途廣泛的材料，在3D打印行業(yè)通常采用的是選擇性激光燒結(jié)的3D打印方法來制造尼龍產(chǎn)品。而ORNL則采用的是類似與FDM技術(shù)，將材料融化擠壓出來。

除了不需要模具來制造永磁材料，此外，ORNL發(fā)現(xiàn)他們的BAAM打印工藝還比傳統(tǒng)制造方法節(jié)約30%到50%的材料，因?yàn)槟切�沒有被用過的材料可以通過循環(huán)被再次使用。

根據(jù)3D科學(xué)谷，AM增材制造將在電機(jī)的設(shè)計(jì)中引入了全新的設(shè)計(jì)規(guī)則，因?yàn)樵霾闹圃斓某杀九c批量大小以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并不相關(guān)。這意味著電機(jī)的電磁和熱優(yōu)化有更多機(jī)會(huì)：因?yàn)榇磐�路徑和�?dǎo)體可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行三維形狀，并且設(shè)計(jì)中集成了更有效的無源或有源熱交換器。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，3D打印永磁的技術(shù)挑戰(zhàn)如下：

- 廣泛采用的基于擠壓的增材制造方法為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件幾何形狀提供了較少的機(jī)會(huì)。這是由于3D打印后燒結(jié)過程中涉及的顯著收縮和機(jī)械不穩(wěn)定性。

- 在打印復(fù)雜形狀的永磁磁體同時(shí)，還必須設(shè)計(jì)一種磁化過程，以便在材料上賦予必要的三維磁化圖案。理想情況下，這個(gè)過程將在3D打印過程中原位進(jìn)行——由于涉及的強(qiáng)磁場(chǎng)，涉及到無數(shù)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

總之，新材料的開發(fā)及其通過下一代生產(chǎn)方法進(jìn)行的工業(yè)集成對(duì)電機(jī)的整體性能產(chǎn)生了最顯著的影響。材料定義了機(jī)器的實(shí)際限制，而其他研究領(lǐng)域（控制、設(shè)計(jì)、優(yōu)化）——允許針對(duì)特定應(yīng)用的進(jìn)化發(fā)展。

越來越可靠的絕緣材料、更有效的電導(dǎo)體和磁導(dǎo)體、新的永磁合金以及具有成本效益的制造和加工方法，這些因素的配合使最終消費(fèi)者可以獲得更強(qiáng)大和更復(fù)雜的電機(jī)設(shè)計(jì)。下一期，3D科學(xué)谷將針對(duì)3D打印電機(jī)中的導(dǎo)電材料進(jìn)行深入剖析。

(責(zé)任編輯：admin)

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