CN109605733A

CN109605733A - 一种磁性材料3d打印设备

Info

Publication number: CN109605733A
Application number: CN201910069223.6A
Authority: CN
Inventors: 李志祥; 张海青; 程昱川; 张建飞; 许高杰; 郭建军
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-04-12
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: CN109605733B

Abstract

本发明涉及一种磁性材料3D打印设备。具体地，在传统熔融沉积成型设备(FDM)的基础上，所述设备采用螺杆挤出结构代替传统的齿轮送丝机构且在所述螺杆挤出结构的下端设置有磁化装置，可实现磁性材料成型效率和磁性能的极大提高。

Description

一种磁性材料3D打印设备

技术领域

本发明涉及材料加工领域，具体地涉及一种磁性材料3D打印设备。

背景技术

增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备上快速精密地制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。与传统加工技术相比，增材制造可降低加工成本20％-40％以上，缩短产品研发周期约80％。

近20年来，增材制造技术得到了快速发展，形成了多种成型技术和装备。这些技术面向航空航天、武器装备、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域，直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工的制造难题。3D打印技术(增材制造)可以完全根据电磁理论计算的结果，加工成理想的形状。通过合理的磁路设计，可以解决定子外漏磁和端部漏磁。同时因为3D打印一般以磁粉/塑料复合材料为原料，材料的电导率较硅钢片低，可以进一步降低直流偏置磁场对铁耗的影响。而且3D打印技术无需开模、加工周期短、加工尺寸范围宽、可以根据理论设计和实践结果及时迅速地调整设计方案。解放制备工艺对设计人员的思维限制，为研制结构复杂、电能转化效率高、稀土材料利用率高的新型永磁电机提供有力的技术保障。

目前3D打印技术主要用于结构件成型。磁性部件等功能件的3D打印工艺开发与优化尚处于研发阶段。由于没有3d打印专用的磁性材料，导致不同研究机构制备的磁体磁性能差距较大。而且，缺少专用的磁性材料打印设备，目前都采用先打印完成后再充磁的方式，3d打印复杂磁路器件的优势没有完全发挥，离实际应用还有一定的差距。

因此，研发磁性材料3D打印专用材料、设备、工艺和应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性材料3D打印设备及使用该设备打印磁性部件的方法。

本发明的第一方面，提供了一种磁性材料3D打印设备，所述设备包含：挤出机构、成型平台、位移机构和控制单元，其中，

所述挤出机构用于将原材料输送到所述成型平台，所述位移机构用于将所述挤出机构移动到所需打印位置，所述控制单元用于实现对所述设备的控制。

在另一优选例中，所述挤出机构包含第一挤出机构，所述第一挤出机构用于挤出第一原材料，且所述第一挤出机构包含供料部分、挤出部分和第一加热部分，所述第一加热部分位于所述第一挤出机构的末端且用于对待挤出的第一原材料进行加热处理。

在另一优选例中，所述第一原材料包含粉末材料和塑料。

在另一优选例中，所述粉末材料包括(但并不限于)磁粉，例如钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体、或其组合等。

在另一优选例中，所述塑料包括(但并不限于)：尼龙12、尼龙6、尼龙66、ABS、PC、POM、PEEK、PEI、PI、PETG、PLA、PPS等。

在另一优选例中，所述第一原材料中，所述粉末材料的质量含量为5－95wt％，较佳地30－90wt％，更佳地40－85wt％，最佳地50-80wt％。

在另一优选例中，由所述第一原材料加工所得丝材的抗弯强度≤20MPa，较佳地≤15MPa，更佳地≤10MPa。

在另一优选例中，所述丝材的直径为1.5－5mm，优选为1.75±0.02mm或3±0.05mm。

在另一优选例中，所述供料部分呈漏斗状，用于将第一原材料传送至套筒中。

在另一优选例中，所述挤出部分包含：挤出电机、联轴器、挤出螺杆、套筒和成型部分，所述挤出电机、联轴器、挤出螺杆依序设置，所述套筒位于所述挤出螺杆外周且与所述供料部分的末端连通，所述成型部分位于所述套筒的末端且用于将经挤出螺杆挤出的第一原材料成型后传送到所述成型平台。

在另一优选例中，所述联轴器用于连接所述挤出电极和所述挤出螺杆，以将所述挤出电极的动力输送给所述挤出螺杆。

在另一优选例中，所述供料部分的末端与所述套筒的中上端的开口连通。

在另一优选例中，所述第一挤出机构用于挤出形成磁性材料的主体的第一原材料。

在另一优选例中，所述挤出机构还包含第二挤出机构，所述第二挤出机构用于挤出第二原材料，且所述第二挤出机构包含导料管、送丝齿轮、第二加热部分和挤出头，所述第二加热部分位于所述导料管的末端且用于对即将离开所述导料管的第二原材料进行加热处理。

在另一优选例中，所述送丝齿轮用于将所述导料管中的第二原材料输送到成型平台。

在另一优选例中，所述挤出头位于所述导料管的末端用于对即将离开所述导料管的第二原材料进行挤出成型。

在另一优选例中，所述第二原材料为丝材。

在另一优选例中，所述丝材的直径为1.5－5mm，较佳地1.6－1.8mm或2.6-3.2mm，更佳地1.75±0.02mm或3±0.05mm。

在另一优选例中，所述第二挤出机构用于挤出形成磁性材料的支撑材料的第二原材料。

在另一优选例中，所述成型平台包含打印平台、加热装置和调平装置，所述加热装置位于所述打印平台的下方，所述调平装置用于将打印平台的台面调整为与所述位移机构的运动轴平行。

在另一优选例中，所述设备还包含磁化装置，所述磁化装置位于所述第一加热部分的外周且用于对经加热的第一原材料进行磁化处理。

在另一优选例中，所述磁化装置包含电磁铁励磁部分、软磁体导磁部分、旋转机构和屏蔽罩。

在另一优选例中，所述电磁铁励磁部分位于所述软磁体导磁部分的上方。

在另一优选例中，所述旋转机构用于旋转所述磁化装置。

在另一优选例中，所述电磁铁励磁部分、所述软磁体导磁部分和所述旋转机构所形成的结构除其下方外均被所述屏蔽罩包围。

在另一优选例中，采用无磁材料连接以下部分：挤出机构、送料结构、运动部件。

在另一优选例中，所述位移机构包含上下左右运动控制部分和前后运动控制部分。

在另一优选例中，所述上下左右运动控制部分和所述前后运动控制部分均包含运动轴。

在另一优选例中，所述控制单元包含控制器、显示器和输入终端。

本发明的第二方面，提供了一种磁性材料的3D打印方法，使用本发明第一方面所述设备进行打印。

在另一优选例中，通过第一挤出机构将第一原材料输送至成型平台，所述第一原材料在离开所述第一挤出机构前进行加热处理。

在另一优选例中，所述第一原材料在加热处理时还进行原位磁化处理。

在另一优选例中，通过第二挤出机构将第二原材料输送至成型平台，所述第二原材料在离开所述第二挤出结构前进行加热处理。

在另一优选例中，在将第一原材料和第二原材料输送至成型平台之前(和同时)，通过加热装置对所述成型平台进行加热处理。

本发明的技术方案是针对粉末添加含量高、塑料粘结相少、制成丝材后脆性大、采用齿轮送丝无法打印(因为丝太脆，尺轮送料过程中把丝材夹断了，无法顺利向前推进，也就无法完成打印)的问题而提出的。

现有磁性材料打印都是先打印后充磁，打印过程中磁畴没有预取向，导致磁性较低，相当于盖房子前期基础不牢，后期磁化(相当于再加固)，整体性能也不会太高。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明磁性材料3D打印设备的结构示意图。

图2是本发明磁性材料3D打印设备中挤出机构的结构示意图。

图3是本发明磁性材料3D打印设备中成型平台的结构示意图。

图4是本发明磁性材料3D打印设备中磁化装置的结构示意图。

图5是本发明磁性材料3D打印设备中控制单元的结构示意图。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，在传统熔融沉积成型设备(FDM)的基础上，引入螺杆挤出结构代替传统的齿轮送丝机构，直接从原材料转化为产品，省略了从原料转化为可打印丝材的加工步骤，提高了成型效率。本发明所述设备特别适合粉末添加含量高、塑料粘结相少、制成丝材后脆性大、采用齿轮送丝无法打印的领域。同时，在本发明所述设备的成型装置下端加入可以独立旋转的磁化装置，对磁性材料根据需要进行预取向，提高打印件的磁性能及其对复杂磁路器件的加工；并且，为防止磁场引入对电机和位移控制部件等造成的不利影响，所述磁化装置外部加有屏蔽罩，保证磁场集中作用在打印件上；而且，磁场影响区均采用无磁材料进行连接。在此基础上，发明人完成了本发明。

本发明中的“磁化”是指在受磁场的作用下，由于材料中磁矩排列时取向趋于一致而呈现出一定磁性的现象。

本发明中的“熔融沉积成型”是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现3维零件的加工。

本发明中的“电磁铁”是通电产生磁场的一种装置。在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电绕组，这种通有电流的线圈像磁铁一样具有磁性。

本发明中的“永磁铁”是具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，经过磁化后能保持恒定磁性的材料，又称永磁材料、硬磁材料。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(a)本发明磁性材料3D打印设备采用双喷头结构，可在一台设备上分别成型可去取支撑材料与主体磁性材料，适合复杂形状磁体的制备而且所制得磁体表面光洁度好；

(b)本发明所述设备采用螺杆挤出结构代替传统的齿轮送丝机构，直接从原材料转化为产品，省略了从原料转化为可打印丝材的加工步骤，提高了成型效率。本发明所述设备特别适合粉末添加含量高、塑料粘结相少、制成丝材后脆性大、采用齿轮送丝无法打印的领域。

(c)本发明磁性材料3D打印设备采用原位磁化的方式，磁场预取向的效率高，取向方向灵活可控；

(d)本发明磁性材料打印工艺将磁场取向转化为打印路径控制，可以实现与现有3d打印控制软件的完美兼容；

(e)本发明磁性材料打印工艺具有无需开模、加工周期短、加工尺寸范围宽、磁场可以按需设计等优点。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例

图1是本发明磁性材料3D打印设备的结构示意图。整个设备包括：挤出机构1、成型平台2、位移机构3、磁化装置4和控制单元5五部分。其中挤出机构1又包括供料部分1-1、加热部分1-2、挤出电机1-3、联轴器1-4、挤出螺杆1-5、套筒1-6、成型部分1-7、导料管1-8、送丝齿轮1-9、加热器1-10和挤出头1-11；成型平台2包括打印平台2-1、加热装置2-2和调平装置2-3；位移机构3包括上下左右运动控制3-1、前后运动控制3-2；磁化装置4包括电磁铁励磁部分4-1、软磁体导磁部分4-2、旋转机构4-3、屏蔽罩4-4；控制单元5包括控制器5-1、显示器5-2、输入终端5-3。

具体地，挤出机构负责将原材料按要求堆积到特定的地方，成型平台是加工的工作空间，位移机构负责将打印头移到特定的位置，磁化装置是将打印的磁体按照要求使磁畴进行预取向，控制单元负责设备运行控制与对外交互。

图2是本发明磁性材料3D打印设备中挤出机构的结构示意图。其中，供料部分1-1呈漏斗状，料从顶上加入，从右下侧狭缝处漏出；加热部分1-2为块状加热器，可以是螺杆用铜加热圈、加热弹簧或者带加热棒的金属圈，目的就是实现局部加热；挤出电机1-3负责转动，产生动力；联轴器1-4将电机的转动传递到挤出螺杆；挤出螺杆1-5产生螺旋运动，带动物料往前运动；套筒1-6为螺杆外面的一个桶装的外壳，限制物料向两边运动，保证物料向前或者向后运动。

图3是本发明磁性材料3D打印设备中成型平台的结构示意图，其为打印成型的操作空间，其中，打印平台2-1为工作台面；加热装置2-2给台面加热，防止打印的东西因冷热变化太大导致翘曲或者变形；调平装置2-3，将台面调整到与位移机构的运动轴平行，保证打印精度。

图4是本发明磁性材料3D打印设备中磁化装置的结构示意图。其中，电磁铁励磁部分4-1根据需求产生一定大小的磁场；软磁体导磁部分4-2将电磁铁产生的磁场转向，引导到特定的位置；旋转机构4-3将磁化装置旋转，形成360度无死角操作；屏蔽罩4-4，对内部的磁场进行屏蔽，防止磁场向外扩散对电机和控制器造成电磁干扰。所述设备可高效率地对原材料进行磁预取向，且取向方向灵活可控。

图5是本发明磁性材料3D打印设备中控制单元的结构示意图。其中，控制器5-1为中央控制器，负责内部运动、磁场等控制；显示器5-2将打印机的实施状态显示出来，便于人机交互；输入终端5-3为人机交互终端，便于人对设备进行控制。

本发明所述设备特别适合于具有如下特性的原材料的3D打印：粉末添加含量高、塑料粘结相少、制成丝材后脆性大、采用齿轮送丝无法打印。具体而言，当磁粉含量高时，实现原材料的均匀供料和固定成型对打印所得磁性材料的性能是至关重要的。磁粉可以理解为一盘散沙，怎样把沙子顺利输送，且输送完成后，沙子直接能变成混凝土，具体需要的构型，而不是一盘散沙。本发明上述设备可有效解决上述特殊原材料的上述打印问题。

此外，在局部狭小空间中，保证磁场按照设计的路径取向且不会对周围的电机等造成干扰对实现磁性材料预取向以及磁性材料的顺利打印也是非常重要的，本发明所述设备同样可有效解决上述打印问题。

相比于现有磁性材料3D打印设备，本发明所述设备具有适用材料范围广、成型效率高、可在成型前原位磁化原材料且可获得具有优异磁性能的磁性材料3D打印件的优点。

举例而言，对于尼龙12和添加0.5wt％Pr的钕铁硼组成的原材料，其中尼龙12的重量百分比为30％，磁粉的重量为70％，采用传统的FDM打印设备磁粉含量太高，丝材太脆，抗弯强度<5Mpa，无法打印。但采用本设备，无需制备成丝材，可以直接成型。在打印过程中，如果不添加0.8T的外磁场，打印后再磁化，磁感矫顽力在0.4T以下，如果采用沿打印方向的增加0.8T的外磁场，磁感矫顽力最大可达0.8T，通过磁粉成分优化，还有进一步的提升空间。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种磁性材料3D打印设备，其特征在于，所述设备包含：挤出机构、成型平台、位移机构和控制单元，其中，

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述挤出机构包含第一挤出机构，所述第一挤出机构用于挤出第一原材料，且所述第一挤出机构包含供料部分、挤出部分和第一加热部分，所述第一加热部分位于所述第一挤出机构的末端且用于对待挤出的第一原材料进行加热处理。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述挤出机构还包含第二挤出机构，所述第二挤出机构用于挤出第二原材料，且所述第二挤出机构包含导料管、送丝齿轮、第二加热部分和挤出头，所述第二加热部分位于所述导料管的末端且用于对即将离开所述导料管的第二原材料进行加热处理。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成型平台包含打印平台、加热装置和调平装置，所述加热装置位于所述打印平台的下方，所述调平装置用于将打印平台的台面调整为与所述位移机构的运动轴平行。

5.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备还包含磁化装置，所述磁化装置位于所述第一加热部分的外周且用于对经加热的第一原材料进行磁化处理。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述位移机构包含上下左右运动控制部分和前后运动控制部分。

7.一种磁性材料的3D打印方法，其特征在于，使用权利要求1所述设备进行打印。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过第一挤出机构将第一原材料输送至成型平台，所述第一原材料在离开所述第一挤出机构前进行加热处理。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一原材料在加热处理时还进行原位磁化处理。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过第二挤出机构将第二原材料输送至成型平台，所述第二原材料在离开所述第二挤出结构前进行加热处理。