磁场取向三维打印各向异性粘结磁体及其制备方法

摘要

本发明涉及稀土永磁材料技术领域，涉及一种磁场取向三维打印各向异性粘结磁体及其制备方法。该粘结磁体采用具有磁晶各向异性的磁体粉末，包括各向异性的钕铁硼磁粉、钐钴磁粉、钐铁氮粉中的一种或几种，该粘结磁体为半连续或者连续取向变化的各向异性粘结磁体；该粘结磁体采用如下工艺制备：装粉→取向成型为片层→热退磁→片层切割为所需形状的单元片层→各个单元片层逐层堆垛固化→充磁。本发明实现了三维打印各向异性粘结磁体的制备，通过调整磁场的方向和/或磁场强度，实现对片层中粉末的取向方向和有序程度进行调整，克服了传统粘结磁体取向不能变化的缺点，实现了同一三维实体中磁性取向的连续或半连续变化。

说明书

技术领域

本发明涉及稀土永磁材料技术领域，具体涉及一种磁场取向三维 打印各向异性粘结磁体及其制备方法。

背景技术

近年来，“增材制造”和“三维打印”等快速成型技术迅速发展， 并与传统制造技术相结合，由最初的只适合于木料、树脂、塑料等原 材料的快速成型，发展到金属、高温合金等大型、复杂结构件的低成 本、短周期、近净成型制造的新技术途径。该技术是一种变革性的数 字化成形技术，能够大幅提高生产效率、降低成本、实现产品的多样 化。三维打印技术以数字化的方式呈现物理世界，成为连接虚拟世界 和实体世界的桥梁，使人工智能从计算机拓展到现实世界，将带来制 造领域革命性的技术进步。

三维打印成型工艺主要有：光固化成型(SLA)、层叠实体制造 (LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、三维打印 成型(3DP)和形状沉积制造(SMD)等。光固化成型工艺使用光敏 树脂(液体材料)，在激光扫描树脂液面时，扫描区域固化，通过逐层 叠加实现零件的制造。层叠实体制造工艺则采用具有一定厚度的片材， 每层轮廓被激光切割，实现逐层的叠加制造零件。选择性激光烧结工 艺使用固体粉末材料，在激光照射下，发生熔融固化，从而完成每层 的成型，该工艺使用的材料范围较广，特别是在金属和陶瓷材料的成 型方面独具优势，但所成型的零件精度和表面粗糙度较差。熔融沉积 制造工艺采用电加热塑料丝，使其在喷头内达到融融态，喷头在计算 机控制下将熔融的材料喷涂到工作平台上，从而逐层实现整个零件的 成型。形状沉积制造工艺一般采用加工中心来完成沉积过程中材料的 去除，每沉积完一层材料，采用数控加工方法将该层零件或支撑材料 加工成成形表面，然后再进行下一层的沉积过程。形状沉积制造过程 根据零件的材料可以采用不同的方法，并可以用三维任意厚度且不为 平面的零件几何分层来制造零件。

三维打印成型工艺由美国麻省理工学院最早开发，最初是采用静 电墨水喷嘴按照零件截面形状，将液体粘结剂喷射在于先铺好的粉末 层上，使部分粉末粘结在一起，形成截面轮廓，一层完成后再进行下 一层粉末的粘结，经过后处理，最终形成零件。三维打印成型技术分 为粘结材料、光敏材料和熔融材料的三维打印成型，可以实现陶瓷、 金属以及复合材料的打印。

尽管三维打印成型技术在先进制造、新能源和医学等领域体现出 了巨大的发展潜力，但其可选用的原料种类还比较有限，只适用于有 限材料和相对简单成型件的加工。在实际应用过程中，由单质或均质 材料构成的零件难以满足对功能和性能的要求，因此，研究开发异质 实体(Heterogeneous Object，HEO)的三维打印成型技术成为研究热 点之一。

人造型异质实体分为装配型和合成型。装配型异质实体由多个不 同材料零件组装形成，各个组件是由单一材料制作，各组件的材料之 间不发生耦合或者渗透。合成异质实体则是通过化学反应、物理处理、 基因工程等方法获得的具有多相材料的非均质物体，如梯度功能材料， 其组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化。图1为 多材料模型的三维打印成型系统结构简图，该系统包括控制系统、X/Y 扫描器、工作台和多个喷头，每个喷头内又包括多个喷嘴。通过控制 喷嘴的移动和开关动作实现异质实体的三维打印成型。

三维打印成型是通过数字化微滴喷射实现多材料或梯度功能材料 的三维打印成型，就单个微滴而言仍然是各向同性的。通常各向异性 粘结磁体是在外加磁场下实现取向和成型的，如果采用上述三维打印 方法就要求各个微滴液具有各向异性。通常粘结磁体的取向是通过外 加磁场来实现的，取向后再通过外加反向的磁场进行退磁处理。由于 退磁后的粉末依然带有微弱的磁性，从而影响微滴之间的排列和成型， 无法实现各向异性粘结磁体的三维打印成型。现有技术中，中国发明 专利申请号201410101034.X公开了‘一种利用3D打印技术制备复杂 形状粘结磁体的方法’(申请日2014年3月19日)，该方法需要使用 3D打印设备，工艺过程比较复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种磁场取向三维打印各向异性粘 结磁体及其制备方法，可实现磁场取向三维打印成型的各向异性粘结 磁体的制备。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种磁场取向三维打印各向异性粘结磁体，采用具有磁晶各向异 性的粘结磁体粉末，该粘结磁体为半连续或者连续取向变化的各向异 性粘结磁体；

该粘结磁体采用如下工艺制备：装粉→取向成型为片层→热退磁 →片层切割为所需形状的单元片层→各个单元片层逐层堆垛固化→充 磁。

所述磁体粉末为平均粒度1～5um的各向异性的钕铁硼磁粉、钐钴 磁粉、钐铁氮粉中的一种或几种。

一种磁场取向三维打印各向异性粘结磁体的制备方法，包括如下 步骤：

a)装粉：将具有磁晶各向异性的磁体粉末经过粗破碎、气流磨或球磨 等方法破碎至平均粒度1～5um的粉末，然后与粘结剂混合均匀；混合 后的粉末由供料系统添加到模具中；

b)取向成型：上、下压头相向移动预压制粉末，通过上、下极头施加 磁场，然后进行成型压制，形成具有取向的片层；

c)热退磁处理；

d)切割：将退磁后的片层进行切割，加工成所需形状的单元片层，然 后重复步骤a～d，制备不同取向的单元片层；

e)逐层堆垛固化：将切割后的单元片层逐层堆垛固化；

f)充磁：将步骤e中得到的各向异性粘结磁体进一步精加工，在5特 斯拉以上的强磁场中，按照所需的多个磁场方向和/或磁场强度，分别 进行充磁。

步骤a中，所述粘结剂为聚酰胺、不饱和聚脂、丙烯酸酯、硫醇、 乙烯共聚物、环氧树脂、金属锡中的一种；粉末与粘结剂的体积比为 99.5：0.5～0.5：99.5。

步骤b中，磁场强度为0～2.2特斯拉。

步骤c中，退磁后的片层不具有磁性。

步骤e中，通过逐层堆垛并固化单元片层，最终形成具有一定形 状的三维实体。

步骤e中，采用多极取向充磁夹具和/或脉冲充磁场进行充磁。

各向异性粘结磁体的各个片层中磁性粉末的取向通过充型磁场的 方向和/或磁场强度进行调整，从而形成半连续或者连续取向变化的各 向异性粘结磁体。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过将磁性粉与树脂等粘结剂混合，并在磁场下取向，实 现了三维打印各向异性粘结磁体的制备。

(2)本发明通过在成型过程中对片层施加磁场，使片层中的磁性粉末 沿一定方向有序排列，并且可以通过调整磁场的方向和/或磁场强度， 实现对片层中粉末的取向方向和有序程度进行调整。

(3)本发明通过对压制成型的片层进行热退磁处理，磁粉末和片层都 呈无磁状态，消除了粉末颗粒间和片层之间的磁相互作用力，方便后 续的切割加工和三维堆垛。

(4)本发明通过不同取向片层在三维空间的堆垛，克服了传统粘结磁 体取向不能变化的缺点，实现了同一三维实体中磁性取向的连续或半 连续变化。

(5)本发明在磁性粉末颗粒取向方面独具优势，可以通过将不同取向 的片层单元在同一个片层中组合，从而在同一片层中形成不同的磁取 向，从而制备出传统粘结磁体无法一次制备的复杂取向的三维粘结磁 体。如四极取向粘结磁环、二对极辐射取向整体粘结永磁环和梯度复 合永磁粘结块体等各种结构的粘结永磁材料和器件。

附图说明

图1现有技术中异质实体成型三维打印系统的结构示意图。

图2为本发明磁场取向三维打印各向异性粘结磁体制备过程示意图。

图3为本发明实施例1的二对极辐射取向整体永磁环截面示意图。

图4为本发明实施例2的梯度复合永磁块体材料的结构示意图。

附图标记

1 供料系统      2 模具

3 下压头        4 上压头

5 取向磁场      6 取向片层

7 上极头        8 下极头

9 切割头        10 三维打印各向异性粘结磁体

a 装粉          b 取向成型

c 热退磁        d 切割

e 逐层堆垛固化  f 充磁

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。

本发明的磁场取向三维打印各向异性粘结磁体采用具有磁晶各向 异性的粘结磁体粉末，包括各向异性的钕铁硼磁粉、钐钴磁粉、钐铁 氮粉中的一种或几种，该磁体为半连续或者连续取向变化的各向异性 粘结磁体。

该粘结磁体采用如下工艺制备：装粉→取向成型→热退磁→切割 →逐层堆垛固化→充磁。

如图2所示，本发明的磁场取向三维打印各向异性粘结磁体的制 备方法，包括如下步骤：

a)装粉：将具有磁晶各向异性的磁体粉末经过粗破碎、气流磨或球磨 等方法破碎至平均粒度1～5um的粉末，然后与粘结剂混合均匀，粘结 剂为聚酰胺、不饱和聚脂和丙烯酸酯、硫醇、乙烯共聚物、环氧树脂 或金属锡中的一种；粉末与粘结剂的体积比为99.5：0.5～0.5：99.5；混 合后的粉末由供料系统添加到模具中，形成均匀分布的粉末层；

b)取向成型：上、下压头相向移动预压制粉末，通过上、下极头施加 磁场，磁场强度为0～2.2特斯拉，使磁性粉末沿磁场方向取向，然后进 行成型压制，形成具有取向的片层；其中，当磁场强度为0时，即为 无磁场情况下，磁体无取向，为各向同性。

c)热退磁处理：消除磁性粉末之间的磁力相互作用，片层也不具有磁 性，防止磁性作用力对后续加工和堆垛过程的影响；

d)切割：将退磁后的片层进行切割，加工成所需形状的单元片层，然 后重复步骤a～d，制备不同取向的单元片层；

e)逐层堆垛固化：将切割后的单元片层逐层堆垛固化，最终形成磁场 取向三维打印各向异性粘结磁体；

f)充磁：将步骤e中得到的各向异性粘结磁体进一步精加工，在5特 斯拉以上的强磁场中，按照所需的多个磁场方向和/或磁场强度，分别 进行充磁。

本发明所述的磁场取向三维打印各向异性粘结磁体的制备方法通 过对步骤b中磁场的方向(0～180度)和/或磁场强度(0～2.2特斯拉)进行 调整，从而在三维实体中形成半连续或者连续取向变化的各向异性粘 结磁体。

实施例1

采用三维打印成型工艺制备四极辐射取向粘结永磁环。

如图2所示，实施例1的三维打印成型工艺包括以下步骤：

a)装粉：将具有磁晶各向异性的Nd₂Fe₁₄B磁体粉末，经过粗破碎、气 流磨或球磨等方法破碎至平均粒度3um的粉末，与热固型环氧树脂按 照体积比95：5混合均匀；混合后的粉末由供料系统添加到模具中， 形成厚度10um且均匀分布的粉末层；

b)取向成型：上、下压头相向移动预压制粉末，通过上、下极头施加 磁场，磁场强度为1.8特斯拉，使磁性粉末沿磁场方向取向，然后进行 成型压制，形成具有特定取向的片层；

c)热退磁处理；

d)切割：将退磁后的片层进行切割，加工成所需形状的单元片层，然 后重复步骤a～d，制备不同取向的单元片层；

e)逐层堆垛固化：将切割后的单元片层逐层堆垛固化，最终形成磁场 取向三维打印各向异性粘结磁体；

f)充磁：在专用四极辐射取向充磁夹具中进行充磁。

其中，各单元片层的打印顺序如图3所示：首先打印1#层，由于 对称位置取向相同，因此1#层有左右两部分组成；打印完成1#层后， 打印图3左侧的2#层，其特点是2#层的磁性颗粒取向方向与1#层的取 向方向沿顺时针旋转15度；然后打印图3右侧的3#层，其磁性颗粒的 取向方向与1#层的取向方向沿逆时针旋转15度；依次打印4#、5#、 6#层直至圆弧最顶端形成封闭的半圆环；重复上述步骤打印磁环的下 半部，最终完成四极辐射取向永磁环的三维打印；最后打印的磁环精 加工或直接在专用的充磁夹具中施加四极脉冲磁场充磁既可交付使 用。三维打印系统的组成和工艺过程如图2所示，采用光固化或热固 化的方式实现片层的堆垛，最终形成三维实体。

实施例2

采用三维打印成型工艺制备复合永磁梯度功能材料块体。

如图2所示，实施例2的三维打印成型工艺包括以下步骤：

a)装粉：将具有磁晶各向异性的Sm₂Co₁₇经过粗破碎、气流磨或球磨 等方法破碎至平均粒度3um的粉末，与热固型环氧树脂按照体积比 95:5的比例混合均匀；混合后的粉末由供料系统添加到成型模具中， 形成厚度为15um且均匀分布的粉末层；

b)取向成型：上、下压头相向移动，预压制粉末，通过上、下极头施 加磁场，磁场强度为2.2特斯拉，使磁性粉末沿磁场方向取向，然后进 行成型压制，形成具有特定取向的片层；

c)热退磁处理；

d)切割：将退磁后的片层进行切割，加工成所需形状的单元片层，然 后重复步骤a～d，制备不同取向度的单元片层，各层的取向度可以由磁 场强度方向和/或磁场强度调控；

e)逐层堆垛固化：将切割后的单元片层逐层堆垛固化，最终形成磁场 取向三维打印各向异性粘结磁体；

f)充磁：在脉冲充磁场中充磁。

单元片层的打印及固化堆垛的具体过程如图4所示：首先，打印 取向度为100％的单元片层，然后打印取向度为99％的单元片层，自下 而上依次打印不同取向度的各单元片层，最后逐层固化堆垛，可以在 块体材料中实现磁性粉末颗粒取向程度由100％逐步减小变化到各向 同性的梯度过渡，形成具有取向度梯度变化的块体粘结永磁材料。三 维打印系统的组成和工艺过程如图2所示，采用光固化或热固化的方 式实现片层的堆垛，最终形成三维实体。

同理，当磁体颗粒取向度相同时，也可以在步骤a)所述的混粉过 程中，制备不同磁性颗粒体积含量的混合粉末颗粒，磁性颗粒的体积 含量在0％至95％之间进行调整，然后将不同磁性颗粒体积含量片层逐 层堆垛，形成具有磁性颗粒体积比变化的梯度复合粘结永磁块体材料。

上述磁性颗粒取向程度和体积含量的变化可以是连续的，也可以 是不连续的，可以按照设计者的要求进行任意的组合堆垛。