CN109712798A - 一种3d打印制备粘结钕铁硼磁体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，属于粉末冶金的领域。采用液态光敏树脂制备钕铁硼的打印浆料，通过超声振动控制系统实现高固含量浆料的打印，从而确保浆料的成形性、打印磁体的精度和高致密度，并采用取向充磁系统有选择性地实现磁体的打印取向成型，最终得到复杂形状的高性能粘结钕铁硼零件。采用液态光敏树脂制备3D打印的钕铁硼料浆，实现光固化快速成型。本发明制得的粘结钕铁硼磁体具有良好的磁性能和高致密度，且可实现各种复杂形状的近净成型，省去了磁体复杂零件的切削加工，大大降低了生产成本且节约了资源。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金的领域，提供了一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法。
背景技术
钕铁硼永磁材料因具有高的能量密度而被广泛应用在航空航天、生物医学、信息通信、家用电器、风力发电和汽车工业等领域。钕铁硼磁体包括两大类：高密度及高能量密度的烧结钕铁硼磁体、近净成型及较低能量密度的粘结钕铁硼磁体。其中，钕铁硼磁体中有较多的稀土元素如Nd、Dy和Tb等。为了得到理想形状的零件，通常需要对烧结磁体进行一定量的机切削加工，这就造成大量的资源浪费及生产成本增加。因此，在一些不需要高磁性能的领域通常采用粘结钕铁硼磁体替代烧结钕铁硼磁体。粘结钕铁硼磁体通常是将快淬钕铁硼粉和粘结剂混合，并采用压制成型、挤出成型、注射成型或压延成型技术制备成所需形状的磁体。
随着新能源工业的发展，粘结钕铁硼磁体的需求不断增加。但是采用传统的技术制备粘结钕铁硼磁体还存在些问题，包括需要单独加工成型模具、形状复杂性和灵活性受限等。3D打印技术，又称为增材制造技术，是一种新型的近净成形技术，可以将金属粉末颗粒或塑料等材料根据计算机输出系统控制，逐层打印成形得到复杂形状的零件。3D打印技术非常适用于钕铁硼磁体的制备，打印得到的磁体不需要进一步的切削加工，有利于减少原料浪费，且无需单独制造模具，大大降低了生产成本。
因此，本发明提出一种3D打印技术制备粘结钕铁硼磁体，提出采用液态光敏树脂制备钕铁硼磁粉打印浆料，实现光固化快速成形。通过超声振动系统和取向充磁系统的结合，保证高固含量浆料的成形性、磁体精度和高致密度，成功制备得到高性能的复杂形状的粘结钕铁硼磁体。
发明内容
本发明的目的提供了一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，该方法采用光敏树脂制备打印浆料实现光固化快速打印成型。虽然钕铁硼粉加入到液态光敏树脂中，浆料的粘度增加，但是在打印过程中通过超声振动，保证高固含量浆料的成形性及坯体精度。同时，通过在打印过程中有选择性地实现磁体在Z轴方向取向，实现了高性能的粘结钕铁硼磁体的复杂成形。
为了获得上述的3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，本发明采用了以下技术方案，具体步骤如下：
(1)配制预混液：按照重量百分比将一定量的活性稀释剂、光引发剂、光敏剂与光敏齐聚物混合，配制成预混液；
(2)配制打印料浆：将钕铁硼粉末放入步骤(1)中的预混液中，搅拌均匀，其中粉末的固含量为50-70vol.％；
(3)组装打印设备：在光敏打印机的构件平台上装上超声振动设备并外接控制系统，并装上取向充磁控制系统；
(4)打印成型：将所需形状的模型输入步骤(3)中组装好的3D光敏打印机中，并将步骤(2)中的浆料装入3D打印设备的入料口中，打开超声振动系统使打印机的构件平台在打印过程中不断超声振动，且整个打印过程进行波长为250～400nm的紫外灯照射，同时有选择性地打开取向充磁控制系统，逐层打印出所需形状的粘结钕铁硼磁体。
进一步地，步骤(1)中所述活性稀释剂为苯乙烯(St)、乙烯基吡咯烷酮(NVP)、醋酸乙烯酯(VA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯(EHA)、(甲基)丙烯酸羟基酯(HEA、HEMA、HPA)、1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)等中的一种或几种，在预混液中的质量百分比为5.0-20.0wt.％。
进一步地，步骤(1)中所述光引发剂为安息香及其衍生物、苯乙酮衍生物、三芳基硫铃盐类等中的一种或几种，在预混液中的质量百分比为0.1-5.0wt.％。
进一步地，步骤(1)中所述光敏剂为二苯甲酮、米氏酮、硫杂蒽酮、联苯酰等中的一种或几种，在预混液中的质量百分比为0.1-5.0wt.％。
进一步地，步骤(1)中所述光敏齐聚物为丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、多硫醇/多烯光固化树脂等中的一种或几种。
进一步地，步骤(2)中所述钕铁硼粉末为各向异性钕铁硼粉末或各向同性钕铁硼粉末，粉末粒径为50-300μm。
进一步地，步骤(3)中所述取向充磁控制系统由上、下两个电磁铁及控制单元组成，其中上方的电磁铁固定于打印机的构件平台，下方的电磁铁固定于树脂槽，并通过电源控制单元实现Z轴方向充磁。
进一步地，步骤(4)中所述有选择性地打开取向充磁控制系统根据钕铁硼粉末进行选择，当步骤(2)中使用各向同性钕铁硼粉末时，步骤(4)中不需要打开取向充磁控制系统；当步骤(2)中使用各向异性钕铁硼粉末时，步骤(4)中需要打开取向充磁控制系统。
本发明的优点：
1、采用光敏树脂制备3D打印的钕铁硼料浆，实现钕铁硼打印坯体的光固化快速成型；
2、在打印过程中实施超声振动，保证高固含量的钕铁硼浆料的成形性，从而有利于控制磁体的精度，并保证磁体的高致密度和高磁性能；
3、实现各向异性磁体的取向，有利于获得高取向度的磁体；
4、通过3D打印可以制备各种复杂形状的粘结钕铁硼磁体，省去了磁体复杂零件的切削加工，大大降低了生产成本且节约了资源；
5、3D打印的粘结钕铁硼磁体具有应用范围广、工艺稳定、磁性能好的优点，具有良好的工业应用前景。
具体实施方式
实施案例1：
一种3D打印制备U形粘结钕铁硼磁体的方法：
(1)将6wt.％1，6-己二醇二丙烯酸酯、12wt.％丙烯酸异辛酯、2wt.％安息香、2wt.％联苯酰与78wt.％丙烯酸酯化环氧树脂混合，配制成预混液。并将75μm的各向同性钕铁硼粉末放入预混液中，固含量为65vol.％，搅拌均匀，配制出打印浆料；
(2)在光敏打印机的构件平台上装上超声振动设备并外接控制系统，并装上取向充磁控制系统；
(3)将U形的模型输入3D打印机中，并将打印浆料装入3D打印设备的入料口中，开始打印，打开超声振动控制系统并进行紫外灯照射，逐层打印出所需形状的粘结钕铁硼磁体。
实施案例2：
一种3D打印制备环形烧结钕铁硼磁体的方法：
(1)将14wt.％三丙二醇二丙烯酸酯、3wt.％苯乙酮衍生物、3wt.％米氏酮与80wt.％聚氨酯混合，配制成预混液。并将100μm的各向异性钕铁硼粉末放入预混液中，固含量为58vol.％，搅拌均匀，配制出打印浆料；
(2)在光敏打印机的构件平台上装上超声振动设备并外接控制系统，并装上取向充磁控制系统；
(3)将环形的模型输入3D打印机中，并将打印浆料装入3D打印设备的入料口中，开始打印，同时打开超声振动控制系统和取向充磁控制系统，在打印过程中打印的坯体在1.8T的磁场下不断取向并进行紫外灯照射，逐层打印出所需形状的粘结钕铁硼磁体。
Claims (8)
1.一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于，具体按如下步骤制备：
(1)配制预混液：按照重量百分比将一定量的活性稀释剂、光引发剂、光敏剂与光敏齐聚物混合，配制成预混液；
(2)配制打印料浆：将钕铁硼粉末放入步骤(1)中的预混液中，搅拌均匀，其中粉末的固含量为50-70vol.％；
(3)组装打印设备：在光敏打印机的构件平台上装上超声振动设备并外接控制系统，并装上取向充磁控制系统；
(4)打印成型：将所需形状的模型输入步骤(3)中组装好的3D光敏打印机中，并将步骤(2)中的浆料装入3D打印设备的入料口中，打开超声振动系统使打印机的构件平台在打印过程中不断超声振动，且整个打印过程进行波长为250～400nm的紫外灯照射，同时有选择性地打开取向充磁控制系统，逐层打印出所需形状的粘结钕铁硼磁体。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(1)中所述活性稀释剂为苯乙烯(St)、乙烯基吡咯烷酮(NVP)、醋酸乙烯酯(VA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯(EHA)、(甲基)丙烯酸羟基酯(HEA、HEMA、HPA)、1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)中的一种或几种，在预混液中的质量百分比为5.0-20.0wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(1)中所述光引发剂为安息香及其衍生物、苯乙酮衍生物、三芳基硫铃盐类中的一种或几种，在预混液中的质量百分比为0.1-5.0wt.％。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(1)中所述光敏剂为二苯甲酮、米氏酮、硫杂蒽酮、联苯酰中的一种或几种，在预混液中的质量百分比为0.1-5.0wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(1)中所述光敏齐聚物为丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、多硫醇/多烯光固化树脂中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(2)中所述钕铁硼粉末为各向异性钕铁硼粉末或各向同性钕铁硼粉末，粉末粒径为50-300μm。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(3)中所述取向充磁控制系统由上、下两个电磁铁及控制单元组成，其中上方的电磁铁固定于打印机的构件平台，下方的电磁铁固定于树脂槽，并通过电源控制单元实现Z轴方向充磁。
8.根据权利要求1所述的一种3D打印制备粘结钕铁硼磁体的方法，其特征在于：步骤(4)中所述有选择性地打开取向充磁控制系统根据钕铁硼粉末进行选择，当步骤(2)中使用各向同性钕铁硼粉末时，步骤(4)中不需要打开取向充磁控制系统；当步骤(2)中使用各向异性钕铁硼粉末时，步骤(4)中需要打开取向充磁控制系统。
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