DE102019113879A1

DE102019113879A1 - Magnetherstellung durch additive herstellung unter verwendung von aufschlämmung

Info

Publication number: DE102019113879A1
Application number: DE102019113879.5A
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang; Dale A. Gerard
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN110706911A; US11373802B2; US20200020481A1

Abstract

Es sind ein Magnet und ein Verfahren zum Bilden des Magneten vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Bilden einer Aufschlämmung, die ein magnetisches Pulvermaterial und ein Bindemittel umfasst, und das Erzeugen von Rohschichten aus der Aufschlämmung. Ein Magnetfeld wird an die Rohschichten angelegt, um das magnetische Pulvermaterial in eine gewünschte Richtung auszurichten, und jede Schicht wird ausgehärtet, um eine weitere Schicht auf der zuletzt ausgehärteten Schicht zu bilden. Die Schichten haften einander.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Permanentmagnete und Verfahren zum Bilden 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. 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 sieht ein neuartiges Verfahren zum Herstellen von Magneten vor, welches das Drucken von magnetischem Pulvermaterial in eine gewünschte Endform des Magneten durch Drucken einer Reihe von dünnen Schichten aus magnetischem Pulvermaterial in einer Aufschlämmung 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. Des Weiteren kann durch das Drucken des magnetischen Materials in einer Aufschlämmung ein Magnetfeld auf die Aufschlämmung aufgebracht werden, um das magnetische Material vor und während des Aushärtens in eine gewünschte Richtung zu richten, und die Viskosität aus der Nässe der Aufschlämmung trägt dazu bei, das Material vor und während des Aushärtens in der anisotropen Ausrichtung zu halten.
Um das magnetischen Pulvermaterial in einer gewünschten Richtung auszurichten, kann ein Magnetfeld angelegt werden. Das Erzeugen von Schichten aus magnetischem Pulvermaterial unter einem Magnetfeld kann dazu führen, dass sich magnetisches Pulvermaterial aufgrund des Magnetfelds wesentlich bewegt. Die vorliegende Offenbarung sieht jedoch eine Nassaufschlämmung vor, die magnetisches Pulvermaterial und Bindemittel beinhaltet, worin die Aufschlämmungsform des Materials das magnetische Pulver intakt hält. Die Aufschlämmung kann dann durch beliebige geeignete Mittel, wie beispielsweise einen Laser, gehärtet werden, um Schichten der Magnetschicht Schicht für Schicht zu auszuhärten.
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 beinhaltet das Bilden einer Aufschlämmung, die einen magnetischen Pulverwerkstoff und ein Bindemittel umfasst. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen einer ersten Rohschicht aus der Aufschlämmung. Das Verfahren beinhaltet ferner das Anlegen eines Magnetfeldes an die erste Rohschicht, um das in der ersten Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung auszurichten, und das Aushärten der ersten Rohschicht zum Bilden einer ausgehärteten ersten Schicht. Nach dem Aushärten der ersten Rohschicht, beinhaltet das Verfahren das Erzeugen einer zweiten Rohschicht aus der Aufschlämmung auf und in Kontakt mit der ausgehärteten ersten Schicht. Das Verfahren beinhaltet das Anlegen eines Magnetfeldes an die zweite Rohschicht, um das in der zweiten Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in die gewünschte Richtung auszurichten, und das Aushärten der zweiten Rohschicht, um eine ausgehärtete zweite Schicht zu bilden, wobei die ausgehärtete zweite Schicht an der ausgehärteten ersten Schicht befestigt ist.
Zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgendes: den Schritt des Anlegens des Magnetfeldes an jede ausgeführte Rohschicht, während dieselbe Rohschicht ausgehärtet wird; den Schritt des Anlegens des Magnetfeldes an jede weiter ausgeführte Rohschicht für eine vorbestimmte Zeitspanne vor dem Aushärten derselben Rohschicht, um das in der jeweiligen Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in die gewünschte Richtung ausrichten zu können; das Anordnen einer Vielzahl von zusätzlichen Schichten, Schicht für Schicht, auf die ausgehärtete zweite Schicht; wobei jede zusätzliche Schicht aus der Aufschlämmung gebildet wird; dazwischen Anordnen jeder zusätzlichen Schicht, Aushärten einer zuletzt angeordneten zusätzlichen Schicht, um eine Vielzahl von angehängten ausgehärteten Schichten zu bilden; Bereitstellen des Magnetfeldes mit einem Magnetismus im Bereich von 0,5 bis 4 Teslas; Bereitstellen einer Basis; der Schritt des Erzeugens der ersten Rohschicht aus der Aufschlämmung, umfassend das Drucken der ersten Rohschicht auf die Basis; der Schritt des Erzeugens der zweiten Rohschicht aus der Aufschlämmung, umfassend das Drucken der zweiten Rohschicht auf die erste Schicht; der Schritt des Anordnens der Vielzahl von zusätzlichen Schichten Schicht für Schicht auf die zweite ausgehärtete Schicht, umfassend das Drucken jeder zusätzlichen Schicht; und des Entfernens von Restaufschlämmung vor dem Anordnen jeder zusätzlichen Schicht.
Weitere zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgendes: die Aufschlämmung, die ferner ein Lösungsmittel auf organischer Basis umfasst; wobei die Härtungsschritte mit einem Laser durchgeführt werden; wobei das Bindemittel Polyamid umfasst; die Aufschlämmung weist ein Verhältnis von mindestens 1,5:1 von magnetischem Material zu Bindemittel auf; das Bindematerial ist organisch und umfasst mindestens eines von: Polyvinylalkohol (PVA), Stearinsäure, Carnaubawachs, Phenolharz, Epoxidharz, Nylon, Polypropylen, Polystyrol und Poly(methylmethacrylat) (PMMA); Sintern der gehärteten ersten und zweiten Schichten und der Vielzahl der gebundenen gehärteten Schichten; Unterwerfen der gehärteten ersten und zweiten Schichten und der Vielzahl der gebundenen gehärteten Schichten entweder einem Sinter- und/oder einem isostatischen Heißpressverfahren (HIP); wobei die Aufschlämmung eine Viskosität von weniger als 10 Pascal-Sekunden aufweist; homogenes Mischen des magnetischen Materials und des Bindemittelmaterials, um die Aufschlämmung zu erzeugen; wobei das magnetische Pulvermaterial mindestens ein Seltenerdmetall umfasst; wobei das magnetische Pulvermaterial Neodym, Eisen und Bor umfasst; wobei das magnetische Pulvermaterial Dysprosium und/oder Terbium umfasst; und/oder jede Schicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 500 Mikrometern aufweist. Der HIPing-Prozess kann entweder mit einer Metallfolie oder einem Behälter gekapselt oder ungekapselt sein, je nachdem, ob die Poren miteinander verbunden sind oder nicht.
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 schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung von 3A bei 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;
3C ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3B bei einem Schritt in einem Verfahren zum Bilden des Magneten der 1A-1C, nach dem Schritt, der in 3B gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist; und
3D ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung der 3A-3C bei 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.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung sieht einen Permanentmagneten und ein Verfahren zum Herstellen von Permanentmagneten in einer Weise vor, dass ein Materialverlust reduziert und ein Magnet mit anisotropen Eigenschaften hergestellt wird. Das Verfahren reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit nachfolgender Bearbeitungsvorgänge in hohem Maße und ermöglicht, dass der magnetische Pulverwerkstoff in eine gewünschte Richtung (eine anisotrope Ausrichtung) 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, 14g, 14h bereitgestellt werden. Beispielsweise können viele Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, wie 300, vorgesehen werden.
In einigen Variationen kann jede Schicht 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h eine Höhe oder Dicke im Bereich von ungefähr 5-500 Mikrometern aufweisen; zum Beispiel kann jede Schicht 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h eine Höhe in einem Bereich von 3-100 Mikrometern aufweisen. 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 beinhaltet einen Schritt 102 zum Bilden einer Aufschlämmung, die einen magnetischen Pulverwerkstoff und ein Bindemittel 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. Ein Bindemittel, das organisch oder anorganisch sein kann, wird ebenfalls in die Aufschlämmung eingemischt. Das Bindemittel kann dazu beitragen, das Magnetpulvermaterial zusammenzuhalten, bis es wärmebehandelt und/oder gesintert ist. Das Bindemittel kann ein Polyamid enthalten und/oder das Bindemittel kann ein nichtmagnetisches Material auf Polymerbasis sein, das konfiguriert ist, um das Zusammenkleben von Pulverpartikeln des magnetischen Pulvermaterials zu ermöglichen. So kann beispielsweise das Bindemittel organisch sein und einen oder mehrere der folgenden Bestandteile beinhalten: Polyvinylalkohol (PVA), Stearinsäure, Carnaubawachs, Phenolharz, Epoxidharz, Nylon, Polypropylen, Polystyrol und Poly(methylmethacrylat) (PMMA). In einigen Formen kann auch ein photopolymerisierendes Material (optional) eingeschlossen sein, um eine Aushärtung durch Licht oder andere elektromagnetische Strahlung zu ermöglichen; beispielsweise können auch ultraviolette (UV) lichthärtende organische Bindemittel (mit Photopolymerisationsreaktionen) verwendet werden, wie beispielsweise 2-Hydroxyethylacrylat und Polyethylenglykol 200 Diacrylat, usw. Zwei handelsübliche UVhärtbare Harze können als Bindemittel verwendet werden: XC11122 (DSM) und UV-A 2137 (Sadechaf).
In einigen Formen kann die Aufschlämmung viskos sein, wie beispielsweise mit einer Viskosität von 2 oder 3 Pascal-Sekunden, vorzugsweise jedoch nicht mehr als 10 Pascal-Sekunden. Die Aufschlämmung kann durch homogenes Mischen des magnetischen Materials und des photopolymerisierenden Materials sowie eines Lösungsmittels gebildet werden. Es können Anstrengungen unternommen werden, um die Viskosität der Aufschlämmung zu reduzieren. So kann beispielsweise die Verwendung von Verdünnungsmitteln und einem Heizsystem die Viskosität der Aufschlämmung bis zu einem gewissen Grad reduzieren.
Das Bindemittel ist im Allgemeinen aufgrund von Kosten oder anderen Begleiterscheinungen unerwünscht. Diese Bindemittel sollten so gering wie möglich gehalten werden, um Verunreinigungen oder eine Verringerung der magnetischen Eigenschaften zu vermeiden. Somit weist die Aufschlämmung in einigen Variationen ein Verhältnis von mindestens 1,5:1 des magnetischen Materials zum Bindemittel auf, und in einigen Fällen kann das Verhältnis des magnetischen Materials zum Bindemittel mindestens 2:1 betragen.
Sobald die Aufschlämmung erzeugt ist, umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 104 zum Erzeugen einer rohen (ungehärteten) ersten Schicht 14a' aus der Aufschlämmung. Die erste Rohschicht 14a' kann beispielsweise durch 3D-Druck erzeugt werden, oder die erste Rohschicht 14a' kann aus der Aufschlämmung auf irgendeine andere geeignete Weise erzeugt werden.
Unter Bezugnahme auf 3A ist in einer Form eine Basis 16 vorgesehen, und eine erste Rohschicht 14a' der Aufschlämmung 20 mit einem Messer 23 auf die Basis 16 auftragbar ist, wobei das Messer 23 zum Entfernen von Restschlamm verwendet werden kann, und das Messer 23 kann dann wegbewegt werden und die erste Rohschicht 14a' kann getrocknet werden.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3B beinhaltet das Verfahren 100 einen Schritt 106 des Anlegens eines Magnetfeldes (angegeben durch Pfeil 24 in 24) an die erste Rohschicht 14a', um das in der ersten Rohschicht 14a' enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung auszurichten. Das Verfahren 100 beinhaltet einen Schritt 108 zum Aushärten der ersten Rohschicht 14a zum Bilden einer ausgehärteten ersten Schicht 14a (dargestellt in 1C und den 3C-3D). Das Aushärten 108 kann mit einer Laservorrichtung 26 durchgeführt werden, die einen Laserstrahl 28 auf die Abschnitte der ersten Rohschicht 14a' fokussiert, ie Teil des Magneten 10 sein wird. Der Schritt 108 des Anlegens des Magnetfeldes 24 an die erste Rohschicht 14a' wird während des Aushärtens der ersten Rohschicht 14a' ausgeführt. Der Schritt 106 des Anlegens des Magnetfeldes 24 an die erste Rohschicht 14a' kann ferner für einen ersten vorbestimmten Zeitraum vor dem Aushärten der ersten Rohschicht 14a' durchgeführt werden, um das in der ersten Rohschicht 14a' enthaltene magnetische Pulvermaterial vor dem Aushärten der Aufschlämmung 20 der ersten Rohschicht 14a' im Wesentlichen in die gewünschte Richtung ausrichten zu können, da der Aushärtungsprozess die Ausrichtung der magnetischen Pulvermaterialien zu fixieren beginnt. Somit wird das Magnetfeld 24 vor dem Aushärten vorzugsweise für mindestens eine kurze Zeitdauer angelegt, und das Magnetfeld 24 wird während des Aushärtens angelegt. Das Magnetfeld 24 wird vorzugsweise beispielsweise mit einem Magnetismus im Bereich von 0,5 bis 4 Tesla oder 1 bis 3 Tesla, oder etwa 2 Tesla vorgesehen. In einigen Formen kann das Magnetfeld 24 angelegt werden, während die erste Rohschicht 14a' auf die Basis 16 gedruckt oder angeordnet wird, und/oder das Magnetfeld 24 kann während des gesamten Druckprozesses kontinuierlich angelegt und jede Schicht des Magneten 10 kann bei Bedarf ausgehärtet werden. 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 24 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.
Wie vorstehend ausgeführt, kann der Aushärtungsschritt 108 mit einem Laserstrahl 28 durchgeführt werden, wobei alternativ auch jede andere wünschenswerte Art der Aushärtung, wie beispielsweise ein Elektronenstrahl, ultraviolettes Licht, sichtbares Licht oder eine andere Form von elektromagnetischer Strahlung, durchgeführt werden kann. Die ausgehärtete erste Schicht 14a kann eine ausgehärtete Form sein, die auf einem Weg des Laserstrahls 28 basiert, der durch eine computergestützte Design-(CAD-)Eingabe für den Magneten 10 gebildet wird.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3C wird nach dem Aushärten der ersten Rohschicht 14a' die erste Rohschicht 14a' zur ausgehärteten ersten Schicht 14a. Das Verfahren 100 beinhaltet dann einen Schritt 110 zum Erzeugen einer zweiten Rohschicht 14b' aus der Aufschlämmung 20 in Kontakt mit der vorherigen Schicht, die in diesem Fall die ausgehärtete erste Schicht 14a ist, und das Messer 23 kann verwendet werden, um die Restaufschlämmung 20 aus der zweiten Rohschicht 14b' zu entfernen. Es ist anzumerken, dass jede Rohschicht 14a', 14b' mit dem scharfen Messer 23 gleichmäßig aufgetragen wird (vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von wenigen Mikrometern bis zu einem Millimeter). Nach dem Aufbringen der zweiten Rohschicht 14b' kann das Messer 23 dann wegbewegt werden, und die zweite Rohschicht 14b' kann trocknen.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3D beinhaltet das Verfahren 100 einen Schritt 112 des Anlegens eines Magnetfeldes 24 an die zweite Rohschicht 14b', um das in der zweiten Rohschicht 14b' enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung auszurichten. Das Verfahren 100 beinhaltet einen Schritt 114 zum Aushärten der zweiten Rohschicht 14b' zum Bilden einer ausgehärteten zweiten Schicht 14b (dargestellt in 1C). Das Aushärten 114 der zweiten Schicht kann mit der Laservorrichtung 26 durchgeführt werden, die einen Laserstrahl 28 auf die Abschnitte der zweiten Rohschicht 14b' fokussiert, die Teil des Magneten 10 bilden, oder der Aushärtungsschritt 114 kann auf jede andere geeignete Weise durchgeführt werden.
Der Schritt 112 des Anlegens des Magnetfeldes 24 an die zweite Rohschicht 14b' wird während des Aushärtens der zweiten Rohschicht 14b' durchgeführt. Der Schritt 112 des Anlegens des Magnetfeldes 24 an die zweite Rohschicht 14b' kann ferner für einen ersten vorbestimmten Zeitraum vor dem Aushärten der zweiten Rohschicht 14b' durchgeführt werden, um das in der zweiten Rohschicht 14b' enthaltene magnetische Pulvermaterial vor dem Aushärten der Aufschlämmung 20 der zweiten Rohschicht 14b im Wesentlichen in die gewünschte Richtung ausrichten zu können, da der Aushärtungsprozess die Ausrichtung der magnetischen Pulvermaterialien zu fixieren beginnt. Somit wird das Magnetfeld 24 vor dem Aushärten vorzugsweise für mindestens eine kurze Zeitdauer angelegt, und das Magnetfeld 24 wird während des Aushärtens angelegt. Wie bei der ersten Schicht 14a' wird das Magnetfeld 24 vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 4 Teslas angelegt. In einigen Formen kann das Magnetfeld 24 angelegt werden, während die zweite Rohschicht 14b' auf die Basis 16 gedruckt oder angeordnet wird, und/oder das Magnetfeld 24 kann während des gesamten Druckprozesses kontinuierlich angelegt und jede Schicht des Magneten 10 kann bei Bedarf ausgehärtet werden.
Nachdem die zweite Rohschicht 14b' in die ausgehärtete zweite Schicht 14b eingebrannt ist, wird die ausgehärtete zweite Schicht 14b an der ausgehärteten ersten Schicht 14c befestigt.
Das Verfahren 100 kann die Schritte 110, 112 und 114 iterativ wiederholen, um zusätzliche Schichten auf den anderen Schichten zu bilden und um den gesamten Magneten 10 zu bilden. Somit kann die Vielzahl von zusätzlichen Schichten 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h zunächst in Rohform, Schicht für Schicht, auf die ausgehärtete zweite Schicht 14b aufgebracht werden, wobei jede zusätzliche Schicht aus der Aufschlämmung 20 gebildet wird, und dazwischen jede zusätzliche Schicht, wobei eine zuletzt angeordnete zusätzliche Schicht unter Anlegen des Magnetfeldes 24 ausgehärtet wird, um eine Vielzahl von befestigten ausgehärteten Schichten 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h zu bilden, wie in 1C, in ähnlicher oder gleicher Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Erzeugung der ersten und zweiten Schicht.
Nach dem Bilden jeder der ausgehärteten Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h durch Anordnen in Rohform und anschließendes Aushärten unter einem Magnetfeld 24 zum Magneten 10 kann der Magnet 10 (einschließlich aller seiner Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h) anschließend gesintert und/oder einem isostatischen Heißpressverfahren (HIP) unterzogen werden.
Somit wird ein Magnet 10 gebildet, der eine Vielzahl von Schichten 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h enthält, umfassend magnetisches Pulvermaterial, das in eine gewünschte Richtung ausgerichtet ist.
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 100 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 100 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 100 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.
Das magnetische Pulver kann nach Größenklassifizierung gesiebt und dann mit anderen Legierungspulvern für die endgültige gewünschte magnetische Materialzusammensetzung zusammen mit dem Bindematerial vermischt werden, um ein gut gemischtes oder homogenes Material zu bilden. Das Lösungsmittel kann dann zugegeben werden, um die Aufschlämmung 20 zu bilden.
Danach wird die Vielzahl von Schichten 12 gedruckt, wie beispielsweise durch einen dreidimensionalen Drucker, wie oben erläutert. Dies kann die Verwendung des in den 3A-3D vorstehend dargestellten Verfahrens oder die Verwendung eines anderen 3D-Druckverfahrens beinhalten. Wie vorstehend beschrieben, können die Schritte 104, 110 zum Drucken der Schichten das Drucken der Vielzahl von Schichten 12 in eine gewünschte endgültige Form des Magneten 10 enthalten, wobei danach wenig Schneiden und maschinelle Bearbeitung erforderlich ist. Jede Schicht wird ausgehärtet, während das Magnetfeld 24 an die jeweilige Schicht angelegt wird, um das magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung auszurichten, um einen anisotropen Magneten 10 zu erzeugen. Somit wird das magnetische Pulvermaterial unter einem Magnetfeld 24 ausgerichtet, das einen Magnetismus im Bereich von etwa 0,5 bis 4 Tesla, vorzugsweise etwa 2 Tesla, erzeugen kann. Das Magnetfeld 24 wird bewirken, dass sich die einzelnen magnetischen Partikel der Mischung so ausrichten, dass der fertige Magnet 10 eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweist. Somit kann der fertige Magnet 10 vorgesehen werden, dessen Bestandteil magnetisches Material in einer anisotropen Ausrichtung angeordnet ist.
Nach dem Laserhärten/Scannen werden die Magnetpulver gebunden. Nachdem die gesamten „grünen“ Teile hergestellt sind, können sie zur thermischen Aushärtung für eine höhere Festigkeit erhitzt werden. Für die Herstellung von Verbundmagneten ist kein Sintern erforderlich, und es verbleiben erhebliche organische Bindemittel in den Magneten. Bei der Herstellung von gesinterten Magneten entfernt der thermische Aushärtungsprozess jedoch den größten Teil (oder fast alle) der organischen Bindemittel, und dann unterliegen sie dem Festkörpersintern.
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. Der Aushärtungsschritt 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 beinhalten, 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 auf die fertigen Magnete aufgebracht werden.
Das Laserwärmen wird am Beispiel einer CO2-Laserpistole erreicht. Die typische Leistung beträgt 110 V und 20 A. Die Aufbaurate kann 16 cm³/hr oder 1 in³/hr betragen. Eine Elektronenstrahlheizung kann ebenfalls verwendet 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 magnetisches Pulvermaterial und Bindematerial; Erzeugen einer ersten Rohschicht aus der Aufschlämmung; Anlegen eines Magnetfeldes an die erste Rohschicht, um das in der ersten Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in eine gewünschte Richtung ausrichten; Aushärten der ersten Rohschicht, um eine gehärtete erste Schicht zu bilden; nach dem Aushärten der ersten Rohschicht, Erzeugen einer zweiten Rohschicht aus der Aufschlämmung in Kontakt mit der ausgehärteten ersten Schicht; Anlegen eines Magnetfeldes an die zweite Rohschicht, um das in der zweiten Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in die gewünschte Richtung auszurichten; und Aushärten der zweiten Rohschicht, um eine ausgehärtete zweite Schicht zu bilden, wobei die ausgehärtete zweite Schicht an der ausgehärteten ersten Schicht anhaftet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Anlegens des Magnetfeldes an die erste Rohschicht durchgeführt wird, während die erste Rohschicht ausgehärtet wird, und der Schritt des Anlegens eines Magnetfeldes an die zweite Rohschicht durchgeführt wird, während die zweite Rohschicht ausgehärtet wird, worin der Schritt des Anlegens des Magnetfeldes an die erste Rohschicht ferner für eine erste vorbestimmte Zeitdauer vor dem Aushärten der ersten Rohschicht durchgeführt wird, um das in der ersten Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in die gewünschte Richtung ausrichten zu können, und der Schritt des Anlegens des Magnetfeldes an die zweite Rohschicht ferner für eine zweite vorbestimmte Zeitdauer vor dem Aushärten der zweiten Rohschicht durchgeführt wird, um das in der zweiten Rohschicht enthaltene magnetische Pulvermaterial im Wesentlichen in die gewünschte Richtung auszurichten, wobei das Verfahren ferner das Anordnen einer Vielzahl von zusätzlichen Schichten Schicht für Schicht auf der ausgehärteten zweiten Schicht umfasst, wobei jede zusätzliche Schicht aus der Aufschlämmung gebildet wird, und dazwischen das Anordnen jeder zusätzlichen Schicht, das Aushärten einer zuletzt angeordneten zusätzlichen Schicht, um eine Vielzahl von angehängten ausgehärteten Schichten zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen des Magnetfeldes mit einem Magnetismus im Bereich von 0,5 bis 4 Teslas.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Bereitstellen einer Basis, wobei der Schritt des Erzeugens der ersten Rohschicht aus der Aufschlämmung das Drucken der ersten Rohschicht auf die Basis, der Schritt des Erzeugens der zweiten Rohschicht aus der Aufschlämmung das Drucken der zweiten Rohschicht auf die ausgehärtete erste Schicht und der Schritt des Anordnens der Vielzahl zusätzlicher Schichten Schicht für Schicht auf die zweite ausgehärtete Schicht das Drucken jeder zusätzlichen Schicht umfasst; und Entfernen der Restaufschlämmung vor dem Aufbringen jeder zusätzlichen Schicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen der Aufschlämmung, ferner umfassend ein Lösungsmittel auf organischer Basis.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Aushärtungsschritte unter Verwendung von mindestens einem der folgenden durchgeführt werden: einem Laser, einem Elektronenstrahl und elektromagnetischer Strahlung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen der Aufschlämmung mit einem Verhältnis von mindestens 1,5:1 von magnetischem Pulvermaterial zu Bindematerial.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Erzeugen der Aufschlämmung das homogen Mischen des magnetischen Pulvermaterials und des Bindemittels umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst: Bereitstellen des magnetischen Pulvermaterials, das mindestens ein Seltenerdmetall umfasst; Bereitstellen des Bindemittels als organisch und umfassend mindestens eines von: Polyvinylalkohol (PVA), Stearinsäure, Carnaubawachs, Phenolharz, Epoxidharz, Nylon, Polypropylen, Polystyrol und Poly(methylmethacrylat) (PMMA); Bereitstellen der Aufschlämmung mit einer Viskosität von weniger als 10 Pascal-Sekunden; Sintern der ausgehärteten ersten und zweiten Schichten und der Vielzahl der angehängten ausgehärteten Schichten; und Unterziehen der ausgehärteten ersten und zweiten Schicht und der Vielzahl der angehängten ausgehärteten Schichten einem isostatischen Heißpressverfahren (HIP).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen des magnetischen Pulvermaterials, umfassend Neodym, Eisen und Bor und mindestens eines von Dysprosium und Terbium.
Ein Magnet, der durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet wird.