DE102019110400A1

DE102019110400A1 - Herstellung beinahe netzförmiger magneten mit photosensitiver aufschlämmung

Info

Publication number: DE102019110400A1
Application number: DE102019110400.9A
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-10-31
Also published as: CN110415959B; CN110415959A; US20190333696A1

Abstract

Es werden ein Magnet und ein Verfahren zum Bilden des Magneten bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Aufschlämmung, die einen magnetischen Pulverwerkstoff und einen photopolymerisierenden Pulverwerkstoff umfasst, und das Erzeugen von Rohschichten aus der Aufschlämmung. Jede Schicht wird durch elektromagnetische Strahlung gehärtet, bevor auf der zuletzt gehärteten Schicht eine weitere Schicht gebildet wird. Die Schichten haften einander. Das Verfahren kann ebenfalls das Anlegen eines Magnetfelds an jede Rohschicht umfassen, während die Schicht gehärtet wird, um den magnetischen Pulverwerkstoff in eine gewünschte Richtung zu orientieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Permanentmagnete und Verfahren zum Bilden isotroper oder anisotroper Permanentmagnete, die in Elektromotoren, Windkraftanlagen, Elektrofahrrädern und Vorrichtungen verwendet werden können.
EINLEITUNG
Permanentmagnete werden weit verbreitet in einer Vielzahl von Vorrichtungen verwendet, einschließlich Traktionselektromotoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Windkraftanlagen, Klimaanlagen und andere mechanisierte Ausrüstungen. Solche Permanentmagnete können Ferrit, Nd-Fe-B, CmCo, CmFeN, Alnico usw. sein.
Bei Nd-Fe-B-Magneten beginnen die Herstellungsverfahren mit der anfänglichen Vorbereitung, einschließlich der Prüfung und des Abwiegens der Ausgangswerkstoffe für die gewünschten Werkstoffzusammensetzungen. Die Werkstoffe werden dann vakuuminduktionsgeschmolzen und stranggegossen, um dünne Stücke (weniger als ein mm) von mehreren Zentimetern Größe zu bilden. Anschließend folgt die Wasserstoff-Dekrepitation, wobei die dünnen Stücke Wasserstoff bei etwa 25 °C bis etwa 300 °C für etwa 5 bis etwa 20 Stunden absorbieren, bei etwa 200 °C bis etwa 400 °C für etwa 3 bis etwa 25 Stunden dehydriert werden und dann einem Hammermahlen und Mahlen und/oder mechanischem Pulverisieren oder Stickstoffmahlen (falls erforderlich) unterzogen werden, um ein feines Pulver zu bilden, das für eine weitere pulvermetallurgische Verarbeitung geeignet ist. Dieses Pulver wird typischerweise zur Größenklassifizierung gesiebt und dann mit anderen Legierungspulvern für die endgültige gewünschte magnetische Werkstoffzusammensetzung gemischt.
Bei einem Verfahren wird das Magnetpulver mit Bindemitteln gemischt, um grüne Teile (typischerweise in Form eines Würfels) durch einen geeigneten Pressvorgang in einer Form herzustellen. Das Pulver kann vor der Formung in einen kubischen Block oder eine andere Form gewogen werden. Das geformte Teil wird dann vakuumverpackt und isostatischem Pressen unterworfen, wonach es gesintert (zum Beispiel bei ungefähr 800 °C bis ungefähr 1100 °C für ungefähr 1 bis ungefähr 30 Stunden im Vakuum) und bei Bedarf gealtert wird (z B. bei etwa 300 °C bis etwa 700 °C für etwa 5 bis etwa 20 Stunden im Vakuum). Typischerweise wird eine Anzahl von Blöcken, die insgesamt etwa 100 kg bis etwa 800 kg wiegen, zur gleichen Zeit als eine Charge gesintert.
Die Magnetstücke werden dann auf Grundlage der gewünschten Endform der Magneten aus dem größeren Block in eine endgültige Form geschnitten und maschinell bearbeitet. Die Magnetstücke werden dann, falls gewünscht, oberflächenbehandelt. Eine Schneidemaschine mit zahlreichen dünnen Klingen wird verwendet, um gewünschte Formen aus dem Magnetblock zu schneiden. Ein Großteil der Werkstoffe geht beim Schneidvorgang verloren, und die dünnen Klingen erfordern eine Instandhaltung. Der Schneid- und Bearbeitungsvorgang zum Erzeugen der Magnete mit der gewünschten Form führt typischerweise zu einer relativ großen Menge an Materialverlust, wobei die Ausbeute typischerweise etwa 55 bis 75 Prozent beträgt (d. h. etwa 25 bis 45 Prozent Materialverlust).
Die hohen Materialverluste während der Herstellung und des Bearbeitungsvorgangs haben die Kosten der fertigen Seltenerdelementmagnete stark erhöht. Diese Kosten wurden durch einen dramatischen Preisanstieg der Seltenerdmetalle in den letzten Jahren noch verschärft. Dementsprechend gibt es signifikante Probleme, die mit der Herstellung von kostengünstigen Magneten verbunden sind, die Seltenerdwerkstoffe enthalten.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt ein neuartiges Verfahren zum Herstellen von Magneten bereit, das das Drucken von magnetischem Pulvermaterial in eine gewünschte Endform des Magneten durch Drucken einer Reihe von dünnen Schichten aus magnetischem Pulvermaterial in eine dreidimensionale Form beinhaltet, das nicht erfordert, dass der Magnet in eine andere endgültige Form bearbeitet wird. Dies führt zu einer Materialeinsparung, die typischerweise durch den Schneid- und Bearbeitungsvorgang des Magneten verloren geht.
Um den magnetischen Pulverwerkstoff in einer gewünschten Richtung auszurichten, kann ein Magnetfeld angelegt werden. Das Erzeugen von Schichten aus magnetischem Pulverwerkstoff unter einem Magnetfeld kann dazu führen, dass sich magnetischer Pulverwerkstoff aufgrund des Magnetfelds wesentlich bewegt. Die vorliegende Offenbarung stellt eine Aufschlämmung bereit, die einen magnetischen Pulverwerkstoff und ein lichtempfindliches Harz oder ein Photopolymer umfasst, wobei die Aufschlämmungsform der Werkstoffe das Pulver intakt hält und diese dann mit elektromagnetischer Strahlung, wie einer Lichtquelle, gehärtet werden kann, um Schichten des Magneten Schicht für Schicht zu härten.
In einer Form, die mit den anderen hierin offenbarten Formen kombiniert werden oder von diesen getrennt sein kann, wird ein Verfahren zur Ausbildung eines Magneten bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Aufschlämmung, die einen magnetischen Pulverwerkstoff und einen photopolymerisierenden Pulverwerkstoff umfasst. Das Verfahren umfasst dann das Erzeugen einer ersten Rohschicht aus der Aufschlämmung und das Härten der ersten Rohschicht mit elektromagnetischer Strahlung, um eine gehärtete erste Schicht zu bilden. Nach dem Härten der ersten Rohschicht umfasst das Verfahren das Erzeugen einer zweiten Rohschicht aus der Aufschlämmung in Kontakt mit der ersten gehärteten Schicht und das Härten der zweiten Rohschicht mit elektromagnetischer Strahlung, um eine gehärtete zweite Schicht zu bilden, wobei die gehärtete zweite Schicht an der gehärteten ersten Schicht anhaftet.
Zusätzliche Funktionen können bereitgestellt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die folgenden: Anlegen eines Magnetfelds an die erste Rohschicht, während die erste Rohschicht gehärtet wird, Anlegen eines Magnetfelds an die zweite Rohschicht, während die zweite Rohschicht gehärtet wird, wobei das Anlegen des Magnetfelds den magnetischen Pulverwerkstoff im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung ausrichtet, Anordnen einer Vielzahl zusätzlicher Schichten, Schicht für Schicht, auf der gehärteten zweiten Schicht, wobei jede zusätzliche Schicht aus der Aufschlämmung gebildet wird, und zwischen dem Anordnen jeder zusätzlichen Schicht das Aushärten unter Belichten einer zuletzt angeordneten zusätzlichen Schicht, um eine Vielzahl anhaftender gehärteter Schichten zu bilden; die Aufschlämmung umfasst ferner ein Lösungsmittel auf organischer Basis; die elektromagnetische Strahlung ist sichtbares Licht; Bereitstellung des sichtbaren Lichts durch eine Leuchtdiode (LED), Bereitstellung einer Basis; Bereitstellen einer flachen seichten Schale, die die Aufschlämmung enthält, während die Aufschlämmungsschicht von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter gleichmäßig mit einem scharfen Messer auf die flache Schale aufgebracht wird, Absenken der Basis in Richtung auf die Aufschlämmung und Berühren der Aufschlämmung, um die erste Rohschicht vor dem Härten der ersten Rohschicht auf der Basis anzuordnen, Anheben der Basis nach dem Härten der ersten Rohschicht mit der gewünschten Härtungsform, die eine Abbildung der elektromagnetischen Strahlung ist, die durch den computergestützten Entwurf (CAD) für den Magneten gebildet wird; Entfernen der restlichen Aufschlämmung und dann Auftragen einer neuen Aufschlämmungsschicht mit ungefähr derselben Dicke wie die erste Schicht; Absenken der Basis in Richtung auf die Aufschlämmung und Berühren der Aufschlämmung, um die zweite Rohschicht auf der gehärteten ersten Schicht vor dem Härten der zweiten Rohschicht anzuordnen; Anheben der Basis nach dem Aushärten der zweiten Rohschicht; Anordnung der LED mit der gewünschten Strahlungsform unter der Schale, wobei die Schale einen durchscheinenden Boden oder einen transparenten Boden hat; Sintern der gehärteten ersten und zweiten Schichten und der Vielzahl anhaftender gehärteter Schichten; Unterwerfen der gehärteten ersten und zweiten Schicht und der Vielzahl anhaftender gehärteter Schichten einem heißisostatischen Press(HIP)-Verfahren; Bereitstellen der Aufschlämmung mit einer Viskosität von mindestens 2 Pascal-Sekunden, Bereitstellen des Magnetfelds im Bereich von 0,5 bis 4 Tesla, wobei das Erzeugen der Aufschlämmung das homogene Mischen des magnetischen Werkstoffs, des photopolymerisierenden Werkstoffs und des Lösungsmittels umfasst; Bereitstellen des magnetischen Pulverwerkstoffs, der mindestens ein Seltenerdmetall umfasst; Bereitstellen des magnetischen Pulverwerkstoffs, der Neodym, Eisen und Bor umfasst; und Bereitstellen des magnetischen Pulverwerkstoffs, der mindestens eines von Dysprosium und Terbium umfasst.
In einer anderen Form stellt die vorliegende Offenbarung einen Magneten bereit, der eine Vielzahl von Schichten enthält, die magnetischen Pulverwerkstoff umfassen. Jede Schicht umfasst gehärtetes lichtempfindliches Harz.
Zusätzliche Merkmale des Magneten können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf: Den Magneten mit einer anisotropen Orientierung, wobei der Magnet mindestens ein Seltenerdmetall umfasst, wobei jede Schicht im Bereich von 10 bis 1000 Mikrometer dick ist, der Magnet aus Neodym, Eisen und Bor besteht und wobei der Magnet Dysprosium und/oder Terbium umfasst.
Zusätzlich stellt die vorliegende Offenbarung einen Magneten bereit, der durch eine beliebige Version der hierin offenbarten Verfahren gebildet wird.
Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vielfältigen Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen diese Offenbarung oder die hier angehängten Ansprüche nicht einschränken.

1A ist eine Draufsicht eines exemplarischen Magneten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
1B ist eine perspektivische Ansicht des Magneten von 1A gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
1C ist eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts des Magneten von 1A-1B entlang der Linie 1C-1C in 1B gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Bilden eines Magneten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3A ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Bilden des Magneten der 1A-1C in einem Anfangsschritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
3B ist eine perspektivische Ansicht des Magneten von 3A gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
3C ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3B in einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C, nach dem Schritt, der in 3A gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist,
3D ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3C in einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C, nach dem Schritt, der in 3C gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist,
3E ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3D in einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C nach dem Schritt, der in 3D gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist,
3F ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3E in einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C, nach dem Schritt, der in 3E gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist;
3G ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3F in einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C nach dem Schritt, der in 3F gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist;
3H ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3G in einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C, nach dem Schritt, der in 3G gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist;

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Permanentmagneten und ein Verfahren zum Herstellen von Permanentmagneten in einer Weise bereit, dass ein Materialverlust reduziert wird. Das Verfahren reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit nachfolgender Bearbeitungsvorgänge in hohem Maße und ermöglicht, dass der magnetische Pulverwerkstoff in eine gewünschte Richtung ausgerichtet wird, ohne den Verlust von magnetischem Pulverwerkstoff zu verursachen.
Unter Bezugnahme auf 1A-1B ist ein Permanentmagnet dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Bei dieser Variante hat der Permanentmagnet 10 eine dreidimensionale Halbkreisform mit einer Dicke t; der Permanentmagnet 10 könnte jedoch jede andere gewünschte Form haben, ohne den Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Der Permanentmagnet 10 könnte in Elektromotoren und dergleichen oder in jeder anderen gewünschten Anwendung nützlich sein.
Der Magnet 10 kann ein ferromagnetischer Magnet sein, der eine Zusammensetzung auf Eisenbasis aufweist, und der Magnet 10 kann eine beliebige Anzahl von Seltenerdmetallen enthalten. Zum Beispiel kann der Magnet 10 eine Nd-Fe-B-Konfiguration (Neodym-, Eisen- und Bor-Konfiguration) aufweisen. Der Magnet 10 kann auch Dy (Dysprosium) und/oder Tb (Terbium) enthalten, falls gewünscht. Es ist auch vorgesehen, dass der Magnet 10 zusätzliche oder alternative Werkstoffe umfassen kann, ohne den Sinn und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
Bezugnehmend auf 1C wird der Permanentmagnet 10 aus einer Vielzahl von Schichten 12 gebildet, die jeweils magnetische Pulverwerkstoffe enthalten. Jede der Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h der mehreren Schichten 12 kann durch 3D-Drucken oder anderweitiges Anordnen der Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h zusammenhängend bzw. Schicht für Schicht erzeugt werden, um die Form des Permanentmagneten 10 zu bilden. Somit wird der Magnet 10 erzeugt, und zwar als jeweils eine Schicht 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, bis im Wesentlichen zu der gewünschten endgültigen Endform. Obwohl in 1C acht Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, dargestellt sind, kann jede gewünschte Anzahl von Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14e, 14h bereitgestellt werden. Beispielsweise können viele Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, wie 300, vorgesehen werden.
Jede Schicht 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h kann eine Höhe oder Dicke im Bereich von ungefähr 5-500 µm haben; zum Beispiel kann jede Schicht 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h eine Höhe in einem Bereich von 3-100 µm haben. Somit kann der Magnet 10 eine große Vielzahl von Schichten aufweisen, beispielsweise 300 Schichten, was beispielsweise dazu führt, daß ein Magnet eine Dicke t von ungefähr 3 mm aufweist. Andere Dicken t könnten im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 mm für Elektromotoren liegen oder jede andere gewünschte Magnetdicke t aufweisen. Magnete, die in Windmühlen verwendet werden, sind viel größer.
Unter jetziger Bezugnahme auf 2 stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren 100 zur endformnahen Ausbildung eines Magneten, wie den Magneten 10, bereit. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 102 zum Bilden einer Aufschlämmung, die einen magnetischen Pulverwerkstoff und einen photopolymerisierenden Pulverwerkstoff umfasst. Der magnetische Pulverwerkstoff kann beliebige magnetische Pulver umfassen, wie Pulver der vorstehend beschriebenen Werkstoffe (Eisen, Neodym, Eisen, Bor, Dysprosium, Terbium usw.). Die Aufschlämmung kann ferner ein Lösungsmittel enthalten, um die Aufschlämmung viskos und fließfähig zu machen. Das Lösungsmittel kann wasserbasierend sein, aber in einer bevorzugten Form ist das Lösungsmittel ein Lösungsmittel auf organischer Basis, wie Kerosin oder Alkohol (z. B. Ethanol oder Methanol), um eine Oxidation des magnetischen Pulverwerkstoffs zu vermeiden. Typische Magnetbindemittel, die organisch oder anorganisch sein können, können enthalten sein, sind jedoch optional. Das Bindemittel kann dazu beitragen, das Magnetpulvermaterial zusammenzuhalten, bis es wärmebehandelt und/oder gesintert ist. Das Bindemittel kann ein polymerbasiertes, nicht-magnetisches Material sein, das konfiguriert ist, um ein Aneinanderhaften von Pulverpartikeln des magnetischen Pulvermaterials zu ermöglichen. In einigen Formen kann die Aufschlämmung viskos sein, z. B. eine Viskosität von mindestens 2 oder 3 Pascal-Sekunden oder viel höher aufweisen. Die Aufschlämmung kann durch homogenes Mischen des magnetischen Werkstoffs und des photopolymerisierenden Werkstoffs sowie eines Lösungsmittels gebildet werden.
Der photopolymersierende Werkstoff ist enthalten, um zu ermöglichen, dass die magnetische Aufschlämmung in Schichten gebildet und mit elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise Licht, gehärtet wird, was im Folgenden näher erläutert wird. Der photopolymerisierende Werkstoff oder das lichtempfindliche Harz oder Photopolymer ist eine Zusammensetzung, die bei bildmäßiger Belichtung durch Lichtstrahlung oder andere elektromagnetische Strahlung, wie ultraviolettes Licht, selektiv polymerisiert und/oder vernetzt werden kann.
Im Allgemeinen können Photopolymere mehrere Komponenten umfassen, einschließlich Bindemittel, Photoinitiatoren, Zusätze, chemische Mittel, Weichmacher und Färbemittel. In einigen Formen können photopolymerisierende Werkstoffformulierungen Polymere, Oligomere, Monomere und/oder Zusätze umfassen. Polymerbasen für Photopolymere können Acrylverbindungen, Polyvinylalkohol, Polyvinylcinnamat, Polyisopren, Polyamide, Epoxide, Polyimide, Styrolblockcopolymere, Nitrilkautschuk oder andere Grundstoffe umfassen. In einigen Beispielen kann der polymere Grundstoff in dem Lösungsmittelträger gelöst werden, wie beispielsweise dem in der Aufschlämmung verwendeten organischen Lösungsmittel Ein eingeschlossenes Monomer kann multifunktionelle Acrylate und Methacrylate umfassen, die mit einer nichtpolymeren Komponente kombiniert sind, um die Volumenschrumpfung zu reduzieren.
In einigen Variationen kann das Photopolymer aus 50-80 % eines Bindemittels oder Oligomers bestehen, wie z. B. Oligomere der Styrolfamilie (z. B. Oligomer der Styrol-Tetramer-alpha-Cumyl-Endgruppe, a-Methylstyrol-Dimer (1), a-Methylstyrol-Tetramer usw.), Methacrylate (z. B. Acrylsäure-Oligomere, Methylmethacrylat-Oligomere, Methylmethacrylat-Tetramer usw.), Vinylalkohole (z. B. Vinylalkohol-Trimer, Vinylacetat-Trimer, Vinylacetat-Oligomer usw.), Olefine (z. B. Polyisobutylen), Glycerine (z. B. Triglycerol), Polypropylenglykole (z. B. Polypropylenglykol (Dihydroxy-terminiert) usw.).
Das Photopolymer kann ebenfalls aus einem oder mehreren Monomeren bestehen, wie zum Beispiel einem auf einem Acrylat oder Methacrylat basierenden, in beispielsweise 10-40 % seiner Zusammensetzung. Im Polymerisationsverfahren werden multifunktionelle Monomere und/oder monofunktionelle Monomere eingesetzt. Multifunktionelle Monomere können sowohl als Verdünnungsmittel als ebenfalls als Vernetzer wirken, während monofunktionelle Monomere entweder Verdünnungsmittel oder Vernetzer sein können. Einige Beispiele für monofunktionelle und multifunktionelle Monomere umfassen Acrylsäure, Methacrylsäure, Isodecylacrylat, N-Vinylpyrrolidon, Trimethylpropantriacrelat (TMPTA), ethoxyliertes TMPTA, Trimethylpropantrimethacrylat und Hexandioldiacrylat.
Photoinitiatoren sind ebenfalls in dem photopolymerisierenden Werkstoff enthalten, der Lichtenergie in chemische Energie umwandeln kann, indem freie Radikale oder Kationen durch elektromagnetische Strahlung (wie sichtbares Licht oder ultraviolettes Licht) gebildet werden. Bei einer solchen Belichtung zerfallen die Photoinitiatoren in zwei oder mehr Partikel, und mindestens einer der Partikel reagiert mit den Monomeren oder Oligomeren und bindet diese aneinander.
Photoinitiatoren können beispielsweise freie Radikale oder kationische Photoinitiatoren sein. Bei der freien radikalen Photopolymerisation unterbrechen Radikale oder Ionen die Initiatoren, wenn elektromagnetische Strahlung reagiert, und Ionen beginnen dann mit Monomeren zu reagieren, um die Polymerisation zu initiieren. Bei der kationischen Reaktion wird aus dem Initiator starke Säure freigesetzt, die einen Bindungsprozess startet. Einige Beispiele für radikalische Photoinitiatoren umfassen Isopropylthioxanthon, Benzophenon und 2,2-Azobisisobutyronitril. Beispiele für kationische Photoinitiatoren umfassen Diaryliodoniumsalze und Triarylsulfoniumsalze.
Andere Beispiele für photopolymerisierende Werkstoffe, die verwendet oder mit anderen kombiniert werden können, umfassen Hydroxycyclohexylphenylketone mit Acrylaten, Titanocen-Photoinitiator mit Epoxidharz oder Acrylate, N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) mit Tetrahydrofuran (THF) und Ester von Zimtsäure (C₉H₈O₂). Photopolymerharze mit mechanischen Eigenschaften, die technischen Kunststoffen wie ABS, Nylon und Polycarbonat ähnlich sind, können ebenfalls in der Aufschlämmung verwendet werden.
Sobald die Aufschlämmung erzeugt ist, umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 104 zum Erzeugen einer rohen (ungehärteten) ersten Schicht 14a' aus der Aufschlämmung. Dies kann ein 3D-Drucken der ersten Rohschicht 14a' umfassen oder die erste Rohschicht 14a' kann aus der Aufschlämmung auf irgendeine andere geeignete Weise erzeugt werden.
In einer Form ist, unter Bezug auf 3A, eine Basis 16 vorgesehen und eine flache Schale 18 ist unter der Basis vorgesehen, wobei die Aufschlämmung in der Schale 18 enthalten ist und mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Der Boden 22 der Schale 18 ist aus einem transparenten oder durchscheinenden Werkstoff gebildet, und eine Quelle elektromagnetischer Strahlung befindet sich unter der Schale 18, angrenzend an den Boden 22. In dem dargestellten Beispiel ist die Quelle elektromagnetischer Strahlung eine sichtbare Lichtquelle, wie beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden (LED) 24; alternativ könnte die elektromagnetische Strahlungsquelle jedoch ultraviolettes Licht, Infrarotlicht oder irgendeine andere gewünschte Quelle liefern, die das Photopolymer wirksam härten kann.
In einigen Formen kann ein Lichtmodulator enthalten sein, um die Intensität des Lichts 24 zu variieren, und ein Belichtungsfeld kann am Boden 22 des Behälters erzeugt werden, um eine gewünschte Form der bestimmten Schicht zu erzeugen, die als Nächstes gehärtet wird. Die gewünschte Form wird durch eine computergestützte Konstruktions-(CAD)-Eingabe für den 3D-Druck oder die Herstellung bestimmt und durch das Belichtungsfeld im Boden 22 implementiert, wodurch jede Schicht durch die Leuchte 24 ausgehärtet wird.
Bezugnehmend auf die 3A-3B enthält die flache, seichte Schale 18 die Aufschlämmung 20, während die Aufschlämmungsschicht (mit einer Dicke im Bereich von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter) mit einem scharfen Messer 23 gleichmäßig auf die flache Schale aufgebracht wird.
Bezugnehmend auf 3C gezeigt, kann das Verfahren 100 das Absenken der Basis 16 in Richtung auf die Aufschlämmung 20 und in diese hinein umfassen, um eine erste Rohschicht 14a' vor dem Härten der ersten Rohschicht 14a' auf der Basis 16 anzuordnen. Die erste Rohschicht 14a' wird dann zwischen dem Boden 22 der Schale 18 und einer Unterseite 26 der Basis 16 angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 3D und mit weiterem Bezug auf 2 umfasst das Verfahren 100 dann einen Schritt 104 zum Härten der ersten Rohschicht 14a' mit elektromagnetischer Strahlung, um eine gehärtete erste Schicht 14a zu bilden, die an der Unterseite 26 der Basis 16 haftet. In bevorzugten Variationen umfasst das Verfahren 100 das Anlegen eines Magnetfelds an die erste Rohschicht 14a' während der Aushärtung der ersten Rohschicht 14a'. Das Magnetfeld kann beispielsweise mit Magnetismus im Bereich von 0,5 bis 4 Tesla oder ungefähr 1-3 Tesla vorgesehen sein. Das Bereitstellen des Magnetfelds orientiert die magnetischen Pulverwerkstoffe in der Aufschlämmung der ersten Rohschicht 14a', um diese in eine gewünschte Richtung auszurichten, während die Schicht 14a' gehärtet wird, und anschließend sind die magnetischen Werkstoffe nach dem Aushärten in dieser Position fixiert. Wenn das Magnetfeld während des Aushärtungsschritts für jede Schicht angelegt wird, hat der Magnet 10 eine anisotrope Orientierung, deren magnetische Eigenschaften in einer bestimmten Richtung beispielsweise um 30 % stärker sein können als die eines ansonsten ähnlichen isotropen Magneten. Die Schicht 14a ist eine gehärtete Form, basierend auf einem Bild der elektromagnetischen Strahlung, die durch den Einsatz von computergestütztem Design (CAD) für den Magneten gebildet wird.
Unter Bezugnahme auf 3E kann die Basis 16 nach dem Aushärten der ersten Rohschicht 14a' zum Bilden der gehärteten ersten Schicht 14a aus der Schale 18 gehoben werden, wobei die gehärtete erste Schicht 14a an der Unterseite 26 der Basis 16 anhaftet.
Bezugnehmend auf 3F und mit fortgesetzter Bezugnahme auf 2 geht das Verfahren 100 dann zurück zum Schritt 102, um eine weitere Schicht aus der Aufschlämmung zu bilden. Im Beispiel der 3A-3F kann das Verfahren 100 das Entfernen des Rests der vorherigen verbleibenden Aufschlämmung und dann das Aufbringen einer frischen Aufschlämmungsschicht zum Bilden der zweiten Rohschicht umfassen, indem mit einem dünnen Messer an der flachen Schale 18 geschabt wird und die Basis 16 mit der anhaftenden gehärteten ersten Schicht 14a in Richtung der Aufschlämmung 20 und in diese hinein abgesenkt wird, um eine zweite Rohschicht 14b' auf der gehärteten ersten Schicht 14a vor dem Härten der zweiten Rohschicht 14b' anzuordnen. Die zweite Rohschicht 14b' wird dann zwischen dem Boden 22 der Schale 18 und der ausgehärteten ersten Schicht 14a angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 3G und unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 fährt das Verfahren 100 mit dem Schritt 104 des Härtens der Schicht fort, was diesmal die zweite Rohschicht 14b' betrifft. Wie die erste Rohschicht 14a' wird die zweite Rohschicht 14b' mit elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise durch die LED-Lichtquelle 24, gehärtet, um eine gehärtete zweite Schicht 14b zu bilden, die an der gehärteten ersten Schicht 14a anhaftet. In bevorzugten Variationen umfasst das Verfahren 100 auch das Anlegen eines Magnetfelds an die zweite Rohschicht 14b', während die zweite Rohschicht 14b' ausgehärtet wird, um den in der Aufschlämmung enthaltenen magnetischen Pulverwerkstoff in der gewünschten Richtung auszurichten, während die Schicht 14b' gehärtet wird.
Unter Bezugnahme auf 3H kann nach dem Aushärten der zweiten Rohschicht 14b' zur Bildung der zweiten gehärteten Schicht 14b die Basis 16 aus der Schale 18 angehoben werden, wobei die gehärtete erste Schicht 14a noch an der Unterseite 26 der Basis 16 anhaftet und wobei die gehärtete zweite Schicht 14b an der Unterseite 28 der gehärteten ersten Schicht 14a in der Fertigungsorientierung, die in 3H dargestellt ist, anhaftet.
Das Verfahren 100 kann die Schritte 102 und 104 iterativ wiederholen, um zusätzliche Schichten auf den anderen Schichten zu bilden und um den gesamten Magneten 10 zu bilden. Bei Bedarf kann zusätzliches Volumen der Aufschlämmung 20 zu der Schale 18 hinzugefügt werden. Somit kann die Vielzahl von zusätzlichen Schichten 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h zunächst in Rohform, Schicht für Schicht, auf der Unterseite 30 der ausgehärteten zweiten Schicht 14b angeordnet werden, wobei jede zusätzliche Schicht aus der Aufschlämmung 20 gebildet wird und zwischen dem Anordnen jeder zusätzlichen Schicht wird die zuletzt angeordnete zusätzliche Schicht mit dem Licht 24 gehärtet, um eine Vielzahl von angebrachten gehärteten Schichten 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, die in 1C dargestellt sind, zu bilden. Beim Aushärten jeder Schicht kann während des Lichthärtungsverfahrens ein Magnetfeld angelegt werden, wie vorstehend erläutert.
Nach dem Ausbilden jeder der ausgehärteten Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, indem diese in Rohform angeordnet werden und dann zur Bildung des Magneten 10 ausgehärtet werden, kann der Magnet 10 (einschließlich all seiner Schichten 14a, 14b 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h) anschließend gesintert und einem heißisostatischen Press(HIP - Hot Isostatic Press)-Verfahren unterzogen werden.
Somit wird ein Magnet 10, der eine Vielzahl von Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h umfasst, die einen magnetischen Pulverwerkstoff beinhalten, gebildet, wobei jede Schicht 14a, 14b, 14 c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h auch gehärtetes lichtempfindliches Harz umfasst.
Das Verfahren 100 zum Bilden des Magneten 10 kann weitere optionale Schritte umfassen, wie beispielsweise einen Schritt der anfänglichen Vorbereitung, einschließlich des Prüfens und Wiegens der Ausgangswerkstoffe für die gewünschten Werkstoffzusammensetzungen. Das Verfahren kann umfassen, dass die Ausgangswerkstoffe dann vakuuminduktionsgeschmolzen und stranggegossen werden, um dünne Stücke (weniger als ein mm) von mehreren Zentimetern Größe zu bilden. Anschließend kann eine Wasserstoff-Dekrepitation durchgeführt werden, bei der die dünnen Stücke ungefähr 5 bis ungefähr 20 Stunden lang bei ungefähr 25 °C bis ungefähr 300 °C Wasserstoff absorbieren und dann bei ungefähr 200 °C bis etwa 400 °C für ungefähr 3 bis ungefähr 25 Stunden dehydriert werden. Das Verfahren kann eine Pulverisierung umfassen, die Hammermahlen und Mahlen und/oder eine mechanische Pulverisierung oder Kaltvermahlung mit Stickstoff (falls erforderlich) umfassen kann, um ein feines Pulver zu bilden, das für die weitere pulvermetallurgische Verarbeitung geeignet ist.
Das Verfahren kann das Mischen von Pulver in mittlerer Korngröße, Mahlen, Mischen von feinem Pulver und Mischen verschiedener Magnetpulver umfassen. Wenn beispielsweise der Magnet 10 auf der Basis einer Nd-Fe-B-Konfiguration hergestellt wird, bei der mindestens ein Teil des Nd durch Dy oder Tb ersetzt werden soll, können die Pulverbestandteile das oben erwähnte Pulver auf Eisenbasis enthalten, das Dy oder Tb enthält sowie ein Pulver auf Nd-Fe-B-Basis. In einer Form, beispielsweise für Auto- oder Lastkraftwagenanwendungen, die Traktionsmotoren umfassen, weisen die fertigen Seltenerd-Permanentmagnete einen Dy-Anteil von ungefähr 8 oder 9 Prozent auf. In anderen Anwendungen, wie Windturbinen, muss die Dy- oder Tb-Gesamtkonzentration möglicherweise in der Größenordnung von 3 bis 4 Gewichtsprozent liegen. In jedem Fall wird die Verwendung von Permanentmagneten in einem solchen Motoren, die von verbesserten magnetischen Eigenschaften (wie Koerzitivfeldstärke) profitieren könnten, als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegend angesehen. Zusätzliche Bestandteile - wie die oben erwähnten Bindemittel - können ebenfalls in die durch Vermischen hergestellte Mischung einbezogen werden, obwohl solche Bindemittel auf einem Minimum gehalten werden sollten, um eine Kontamination oder eine Verringerung der magnetischen Eigenschaften zu vermeiden. In einer Form kann das Mischen die Verwendung eines Legierungspulvers auf Eisenbasis von Dy oder Tb (zum Beispiel zwischen etwa 15 Gew.-% und etwa 50 Gew.-% Dy oder Tb) beinhalten, das mit einem Pulver auf Nd-Fe-B-Basis gemischt ist.
In einem Schritt wird das Pulver zur Größenklassifizierung gesiebt und dann mit anderen Legierungspulvern für die endgültige gewünschte Zusammensetzung des magnetischen Werkstoffs zusammen mit Bindemitteln (falls gewünscht, wie vorstehend erläutert) gemischt. Der photopolymerisierende Werkstoff kann ebenfalls zusammen mit dem magnetischen Werkstoff und beliebigen anderen Bindemitteln gemischt werden, um einen gut gemischten oder homogenen Pulverwerkstoff zu bilden. Das Lösungsmittel kann dann zugegeben werden, um die Aufschlämmung zu bilden.
Danach wird die Vielzahl von Schichten 12 aus Magnetpulvermaterial in Schritt 102 gedruckt, wie beispielsweise durch einen dreidimensionalen Drucker, wie oben erläutert. Dies kann die Verwendung des Verfahrens umfassen, die die Basis 16 und die Schale 18 umfasst oder unter Verwendung eines anderen 3D-Druckverfahrens. Wie vorstehend beschrieben, kann der Schritt 102 des Druckens der Schichten 14a, 14b, ... das Drucken mehrerer Schichten 12 in eine gewünschte endgültige Form des Magneten umfassen, wobei anschließend nur ein geringes Schneiden und eine maschinelle Bearbeitung erforderlich sind. Jede Schicht 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g wird vorzugsweise mit dem Licht 24 ausgehärtet, während ein Magnetfeld an die jeweilige Schicht angelegt wird, um den magnetischen Pulverwerkstoff im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung auszurichten, um einen anisotropen Magneten zu erzeugen. Somit wird das magnetische Pulvermaterial unter einem Magnetfeld ausgerichtet, das im Bereich von etwa 0,5 bis 4 Tesla und vorzugsweise etwa 2 Tesla liegen kann. Das Magnetfeld wird bewirken, dass sich die einzelnen magnetischen Partikel der Mischung so ausrichten, dass der fertige Magnet 10 eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweist. Somit kann das Magnetpulvermaterial in einer anisotropen Orientierung bereitgestellt werden.
In einigen Formen können die gehärteten Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g auf eine Härtungstemperatur erwärmt werden, die niedriger als die Sintertemperatur ist. So kann beispielsweise die Härtungstemperatur bei allen Formen weniger als 400 °C betragen, wobei dieser Schritt jedoch nicht bei allen Formen erforderlich sein muss. Mit anderen Worten, der Härtungsschritt kann zu „gehärteten Grünteilen“ oder „Braunteilen“ führen, die immer noch nicht die endgültige Festigkeit und Mikrostruktur aufweisen, da diese für das vollständige Härten, vorzugsweise dem Sintern, unterzogen werden sollten. Nach dem Aushärten ist der Magnet 10 leicht gehärtet, jedoch nicht so hart wie der Magnet 10 nach dem Sintern. Bei diesem Schritt wird jedoch der größte Teil des Bindemittels abgebrannt und es verbleibt eine reine Magnetzusammensetzung und Mikrostruktur, die für verbesserte magnetische Eigenschaften erwünscht ist.
Beim Sintern wird der Magnet 10 bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 750 °C bis ungefähr 1100 °C gesintert. Das Sintern kann im Vakuum für ungefähr 1 bis ungefähr 30 Stunden durchgeführt sowie gealtert werden und kann gegebenenfalls alternativ einer anderen Wärmebehandlung, die bei ungefähr 300 °C bis ungefähr 700 °C für ungefähr 3 bis ungefähr 20 Stunden im Vakuum durchgeführt werden kann, unterzogen werden.
Das Sintern kann im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre (z. B. N₂ oder Ar) durchgeführt werden, um eine Oxidation zu verhindern. Ein typisches Sintervakuum liegt im Bereich von etwa 10^-3 und ungefähr 10^-5 Pascal um bis zu 99 Prozent theoretische Dichte zu erreichen. Längere Sinterzeiten können die Sinterdichte weiter verbessern. Wenn die Sinterzeit zu lang ist, kann dies sowohl die mechanischen als auch die magnetischen Eigenschaften aufgrund von übergroßen Körnern in der Mikrostruktur negativ beeinflussen. Wie bei anderen Formen der pulvermetallurgischen Verarbeitung kann ein Abkühlplan verwendet werden, bei dem die gesinterte Komponente im Verlauf von mehreren Stunden gekühlt wird. Das Sintern 104 kann auch beinhalten, dass die Schichten 12 einem SiC-Heizelement und Mikrowellen hoher Leistung ausgesetzt werden.
Sintern wird verwendet, um die metallurgische Bindung durch Erhitzen und Festkörperdiffusion zu fördern. Daher wird Sintern - bei dem die Temperatur geringfügig unter der Temperatur liegt, die zum Schmelzen des magnetischen Pulverwerkstoffs benötigt wird - so verstanden, dass es sich von anderen Hochtemperaturvorgängen unterscheidet, bei denen der Pulverwerkstoff geschmolzen wird. Vor dem Sintern kann ein wärmeisostatisches Pressen (HIPping) verwendet werden, um die Magnetdichte zu verbessern und das nachfolgende Sinterverfahhren zu vereinfachen.
Zusätzliche sekundäre Vorgänge nach dem Sintern können ebenfalls angewendet werden, einschließlich einer geringfügigen Bearbeitung und Oberflächenbehandlung oder Beschichtung.
Zusätzlich kann HIPping angewendet werden, um die Magnetdichte vor oder nach dem Sintern zu erhöhen oder um die Porosität zu minimieren. Das HIPping kann umfassen, dass der Magnet 10 einem heißisostatischen Pressverfahren (HIP) unterzogen wird. In einer alternativen Konfiguration kann das Warmschmieden anstelle des HIP-Verfahrens verwendet werden. Bei einigen Variationen kann, falls gewünscht, eine geringfügige Bearbeitung, wie beispielsweise Polieren (beispielsweise mit Keramik- oder Metallpulver) und/oder Schleifen durchgeführt werden.
Die Oberflächenbehandlung kann dann beispielsweise in bestimmten Situationen durch Hinzufügen eines Oxids oder einer entsprechenden Beschichtung erfolgen. So kann beispielsweise eine Schutzschicht oder Beschichtung hinzugefügt werden. Die Schutzschicht kann nach dem Sintern aufgebracht werden.
Es wird offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den erfindungsgemäßen Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Genauer gesagt, ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht notwendigerweise auf die bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist, obgleich manche Aspekte hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft beschrieben werden.

Claims

Verfahren zum Bilden eines Magneten, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer Aufschlämmung, umfassend einen magnetischen Pulverwerkstoff und einen photopolymerisierenden Pulverwerkstoff; Erzeugen einer ersten Rohschicht aus der Aufschlämmung; Härten der ersten Rohschicht mit elektromagnetischer Strahlung, um eine gehärtete erste Schicht zu bilden; nach Aushärten der ersten Rohschicht, Erzeugen einer zweiten Rohschicht aus der Aufschlämmung in Kontakt mit der ausgehärteten ersten Schicht; und Aushärten der zweiten Rohschicht mit elektromagnetischer Strahlung, um eine gehärtete zweite Schicht zu bilden, wobei die ausgehärtete zweite Schicht an der gehärteten ersten Schicht anhaftet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Anlegen eines Magnetfelds an die erste Rohschicht, während die erste Rohschicht gehärtet wird, und das Anlegen eines Magnetfelds an die zweite Rohschicht, während die zweite Rohschicht gehärtet wird, um den magnetischen Pulverwerkstoff im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung auszurichten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Anordnen einer Vielzahl zusätzlicher Schichten, Schicht für Schicht, auf der gehärteten zweiten Schicht, wobei jede zusätzliche Schicht aus der Aufschlämmung gebildet wird, und zwischen dem Anordnen jeder zusätzlichen Schicht Aushärten unter Belichten einer zuletzt angeordneten zusätzlichen Schicht, um eine Vielzahl anhaftender gehärteter Schichten zu bilden, wobei die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufschlämmung ferner ein Lösungsmittel auf organischer Basis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Bereitstellen des sichtbaren Lichts durch eine Leuchtdiode (LED); Bereitstellung einer Basis; Bereitstellen einer Schale, die die Aufschlämmung enthält; Absenken der Basis zur Aufschlämmung, um die erste Rohschicht vor dem Aushärten der Rohschicht auf die Basis zu bringen; Anheben der Basis nach dem Aushärten der ersten Rohschicht; Entfernen der Restaufschlämmung; Aufbringen einer zweiten frischen Schicht der Aufschlämmung durch Schaben mit einem Messer; Absenken der Basis zur Aufschlämmung hin, um die zweite Rohschicht auf der gehärteten ersten Schicht vor dem Härten der zweiten Rohschicht anzuordnen; und Anheben der Basis nach dem Aushärten der zweiten Rohschicht, wobei das Verfahren das Anordnen der LED unter der Schale umfasst, wobei die Schale entweder einen durchscheinenden Boden oder einen transparenten Boden aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Sintern der gehärteten ersten und zweiten Schichten und der Vielzahl anhaftender gehärteter Schichten; Unterziehen der gehärteten ersten und zweiten Schichten und der Vielzahl anhaftender ausgehärteter Schichten einem heißisostatischen Press(HIP)-Verfahren; Bereitstellen der Aufschlämmung mit einer Viskosität von mindestens 3 Pascal-Sekunden; Bereitstellen des Magnetfelds im Bereich von 0,5 bis 4 Tesla; Bereitstellen des magnetischen Pulverwerkstoffs mindestens ein Seltenerdmetall umfassend; und Bereitstellen des magnetischen Pulverwerkstoffs, umfassend Neodym, Eisen und Bor und mindestens eines von Dysprosium und Terbium, wobei das Erzeugen der Aufschlämmung das homogen Mischen des magnetischen Werkstoffs und des photopolymersierenden Werkstoffs umfasst.
Magnet, der durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet wird.
Magnet, der eine Vielzahl von Schichten umfasst, die einen magnetischen Pulverwerkstoff umfassen, wobei jede Schicht gehärtetes lichtempfindliches Harz umfasst, worin der Magnet eine anisotrope Orientierung aufweist.
Magnet nach Anspruch 8, der mindestens ein Seltenerdmetall umfasst, wobei jede Schicht im Bereich von 10 bis 100 µm dick ist.
Magnet nach Anspruch 9, umfassend Neodym, Eisen und Bor und mindestens eines von Dysprosium und Terbium.