导读：磁芯是具有高磁导率的磁性材料片，它们通常应用于引导和指导各种电气系统和机器中的磁场，包括电磁铁、变压器、电动机、发电机、电感器和其他磁性组件。到目前为止，由于难以保存磁芯的效率，软磁芯的3D打印一直是一个重大挑战。
2022年5月24日获悉，来自塔林科技大学和爱沙尼亚生命科学大学的研究人员正在研究使用3D打印技术来生产软磁芯。该研究小组提出了一个全面的基于激光的增材制造工作流程，他们声称可以产生优于软磁复合材料的磁性。
△铁氧体电感器包括一个由铜线圈包围的磁芯。图片来自Jurgis Mankauskas。
3D打印电磁材料
具有电磁特性的金属的增材制造是一个新兴的研究领域。电机制造行业已经在尝试开发3D打印集成应用部件，并认为设计自由可以为行业的创新提供巨大帮助。
例如，3D打印具有磁性和电气性能的复杂功能部件可以为带有嵌入式电机、执行器、电路和齿轮箱的定制机器铺平道路。这种定制机器可以在数字制造设施中生产、装配和后处理，并且最大程度上减少材料浪费，因为许多装配部件都是通过3D打印完成的。
不过，3D打印复杂的电机的大部件仍然没有成为现实。这些设备往往具有挑战性的要求，如小的空气间隙以提高功率密度，更不用说需要多材料的装配了。
因此，迄今为止的研究主要集中在更基本的部件上，如3D打印的软磁转子、铜线圈和氧化铝热导。软磁芯也有很受关注，但在3D打印过程中尽量减少磁芯损失是一个有待跨越的障碍。
△一组打印的样品立方体展示了激光功率和打印速度对磁芯结构的影响。照片来自塔林科技大学。
一个优化的3D打印工作流程
为了展示优化的磁芯3D打印工作流程，研究人员确定了应用的最佳工艺参数，包括激光功率、扫描速度、舱口间距和层厚。
△（a）Taltech公司的SLM Solutions SLM 280打印系统，（b）带有定制再涂层器、粉末储存器和缩小平台的打印机构建室，以及（c）定制再涂层器系统的截面。
爱沙尼亚大学的团队还研究了退火参数的影响，以实现最小的直流损耗、准静态、磁滞损耗和最高的磁导率。最佳的退火温度被确定为1200℃，这导致了最高的相对密度为99.86%，最低的表面粗糙度为0.041毫米，最小的磁滞损失为0.8W/kg，以及极限屈服强度为420MPa。
△能量输入对3D打印磁芯的表面粗糙度的影响。图片来自塔林科技大学。
最终，研究人员认定，基于激光的金属增材制造是一种可行的3D打印电机应用的磁芯材料的方法。
就未来的工作而言，该团队打算对零件的微裂纹进行表征，以深入了解晶粒大小和晶粒取向，以及它们对磁导率和强度的影响。研究人员还将进一步研究如何优化3D打印磁芯的几何形状以提高性能。
该研究的更多细节可以在题为 "激光增材制造电机磁芯的设计和工艺/Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process forElectrical Machine Applications"的论文中找到。
3D打印和磁性材料的结合，催生了一大批新的应用，不仅仅是电机。今年早些时候，由剑桥大学卡文迪什实验室领导的一个国际科学家团队利用3D打印技术开发了一套微型纳米磁体。使用定制的3D打印工艺创建的纳米磁体呈DNA启发的双螺旋形状，并在粒子捕获、成像技术和智能材料等领域显示出前景。
在其他地方，西班牙IMDEA纳米科学研究所（一个跨学科研究中心）的研究人员最近开发了一种使用回收材料3D打印磁铁的新方法。这项工作是作为对COVID-19大流行病造成的供应链问题的一种回答，它使制造业缺少许多材料，包括制造磁铁所需的材料。
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