PL245494B1 - Materiał ferromagnetyczno-polimerowy i sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest materiał ferromagnetyczno-polimerowy, który charakteryzuje się tym, że składa się z ułożonych równolegle wiązek ciągłych włókien ferromagnetycznych w ilości od 10% do 70% pola przekroju próbki, korzystnie 50% z osnową polimerową, gdzie włókna ferromagnetyczne mają postać drutu wykonanego ze stali lub ze stopu Fe i Si lub stopu Fe i Co lub stopu Fe i Ni lub szkła metalicznego, a osnowę stanowi polimer stosowany w wytwarzaniu addytywnym korzystnie PLA lub PP lub PET lub PA lub PEEK lub ABS lub TPU lub ich mieszanka. Przedmiotem wynalazku jest także sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał ferromagnetyczno-polimerowy, stosowany zwłaszcza do urządzeń elektromechanicznych i sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego.

Ferromagnetyki, ze względu na posiadaną przez nie dużą wartość przenikalności magnetycznej, wykorzystuje się jako materiały do budowy rdzeni magnetycznych urządzeń elektromagnetycznych i przetworników elektromechanicznych, takich jak transformatory, silniki elektryczne, elektromagnesy, czujniki magnetyczne. Rdzeń magnetyczny, stanowiący podstawę obwodu magnetycznego, zapewnia odpowiedni rozpływ strumienia magnetycznego w urządzeniu. Podstawowymi własnościami wymaganymi od materiałów przeznaczonych na rdzenie magnetyczne jest oprócz dużej przenikalności magnetycznej wysoka wartość pola nasycenia (powyżej 1,5 T) oraz małe natężenie pola koercji (poniżej 150 A/m). Rdzenie magnetyczne mogą być wykonane z różnych materiałów ferromagnetycznych miękkich (ferromagnetyki o małym natężeniu pola koercji): techniczne czyste żelazo tzw. armko, stal krzemowa, stal konstrukcyjna, staliwo, żeliwo, stopy żelaza z niklem tzw. permaloje etc.

Te części obwodu magnetycznego, w których strumień magnetyczny jest stały mogą być wykonane jako odlewy masywne, odkuwki lub mogą być składane z grubych blach. Gdy w rdzeniu strumień magnetyczny jest zmienny w czasie, wówczas w litym rdzeniu magnetycznym pojawiają się tzw. prądy wirowe, gdyż materiały te charakteryzują się dość dobrą przewodnością elektryczną (ok. 5 MS/m). Powoduje to niedopuszczalne ze względów cieplnych straty w materiale rdzenia i prowadzi do jego przegrzania.

W znanych rozwiązaniach rdzeni magnetycznych negatywne skutki pojawienia się prądów wirowych są zmniejszane poprzez pakietowanie rdzeni tzn. ich składanie z cienkich, izolowanych od siebie blach ferromagnetycznych ułożonych równolegle do kierunku przepływu strumienia magnetycznego. Tego typu konstrukcja napotyka jednak problemy gdy pole magnetyczne ma skomplikowany rozkład przestrzenny. Rozwiązaniem które zaproponowano dla tego typu sytuacji była konstrukcja rdzenia oparta na materiałach spiekanych, do których produkcji wykorzystuje się zarówno techno logie metalurgiczne jak i laserowe. W obu przypadkach technologie te jednak są bardzo kosztowne pod względem energetycznym.

Kompozyty to materiały uzyskane przez połączenie ze sobą co najmniej dwu różnych materiałów o różnym charakterze i postaci. Najczęstszą przyczyną opracowania kompozytu jest potrzeba uzyskania materiału o lepszych właściwościach wytrzymałościowych przy zachowaniu niskiej gęstości materiału (wysoka wytrzymałość właściwa). Tworzenie kompozytu ze względu na poprawę innych właściwości, np. magnetycznych lub elektrycznych jest zdecydowanie rzadsze.

W kompozycie można wyróżnić zbrojenie i osnowę. Najczęstszym zadaniem zbrojenia jest przenoszenie obciążeń, osnowy: spajanie zbrojenia i przekazywanie obciążenia na zbrojenie. Materiały zbrojące mogą występować w postaci cząstek lub włókien.

Wytwarzanie addytywne, czyli druk przestrzenny, to zbiorcza nazwa kilku grup metod technologii przyrostowych, w których materiał wytwarzany jest „warstwa po warstwie”. Technologie te różnią się między sobą sposobem nanoszenia kolejnych warstw, wykorzystywanymi materiałami, dokładnością wymiarową, jakością powierzchni a także wymaganiami w zakresie obróbki wykończeniowej. Wśród podstawowych rodzajów wytwarzania addytywnego można wymienić: natrysk, osadzanie z wykorzystaniem rozpylania cząstek z wykorzystaniem lasera lub łuki elektrycznego, wytłaczanie, spiekanie kolejnych warstw proszku, laminowanie arkuszy oraz druk 3D. Pojęcie druku 3D odnosi się natomiast do technologii i maszyn powiązanych z produkcją przez nakładanie materiału na stół modelowy maszyny. W angielskim nazewnictwie druk 3D (ang. 3D printing) jest często synonimem wytwarzania addytywnego (ang. additive manufacturing).

Znane są materiały (Patent US 8.377.576 B2; E.A. Perigo, J. Jacimovic, F. Garcia Ferre, L.M. Scherf: Additive manufacturing of magnetic materials, Additive Manufacturing, 30 (2019),

p. 100870) stanowiące kompozyt ferromagnetyczno-polimerowy, gdzie ferromagnetyk ma postać cząsteczek w osnowie polimerowej.

Znane są również metody wytwarzania kompozytów (Patent US 2020/0223099) przygotowanych do użycia w technologii addytywnej o anizotropowych właściwościach z uwagi na przenikalność magnetyczną, które zawierają mikro- i nanocząstki magnetyczne w osnowie polimerowej. Preferowany kierunek magnetyzacji jest w nich osiągany poprzez druk w zewnętrznym, sterowanym polu magnetycznym.

Znane są kompozyty o osnowie polimerowej i włóknach ciągłych wytwarzanych metodami addytywnymi (Patent US 9.126.367; Hu C. i inni: Recent patents in additive manufacturing of continuous fiber-reinforced composites. Rec Paten Mech Eng 2019;12(1):12), gdzie jako włókien używa się prze ważnie włókien węglowych, szklanych lub aramidowych i stanowią one wzmocnienie, lecz nie posiadają właściwości ferromagnetycznych - nie przewodzą strumienia magnetycznego.

Podobnie, znane są kompozyty w osnowie polimerowej i włóknach ciągłych zbudowanych ze stopu z pamięcią kształtu (Patent P.419615). W kompozycie tym użycie włókien poprawiać ma właściwości mechaniczne wytwarzanego elementu oraz - przez programowanie kształtu włókien (trenowanie) podczas procesu wytwarzania - umożliwiać wytwarzanie struktur typu smart o zmieniającym się kształcie zależnym od czynników zewnętrznych podgrzewających włókno. W patencie nie jest jednak wspominany wpływ włókien na właściwości magnetyczne elementu.

Znane są kompozyty z prętami ferromagnetycznymi (Patent CZ 2017/91 A3), gdzie pręty stanowią wzmocnienie, a ich zadaniem jest utworzenie drogi dla strumienia magnetycznego, lecz w patencie podano metodę tworzenia kompozytu inną niż w technologii addytywnej druku 3D oraz nie zdefiniowano materiału oddzielającego pręty ani łączącego je w całej objętości materiału.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego materiału ferromagnetyczno-polimerowego, który pozwoli na zastosowanie go w małych urządzeniach elektromechanicznych, w szczególności produkowanych w małej liczbie egzemplarzy.

Istotą wynalazku jest materiał ferromagnetyczno-polimerowy charakteryzujący się tym, że składa się z ułożonych równolegle wiązek ciągłych włókien ferromagnetycznych w ilości od 10% do 70% pola przekroju próbki, korzystnie 50% z osnową polimerową, gdzie włókna ferromagnetyczne mają postać drutu wykonanego ze stali lub ze stopu Fe i Si lub stopu Fe i Co lub stopu Fe i Ni lub szkła metalicznego, a osnowę stanowi polimer stosowany w wytwarzaniu addytywnym korzystnie PLA lub PP lub PET lub PA lub PEEK lub ABS lub TPU lub ich mieszanka. Korzystnie składa się z co najmniej dwóch ścieżek ułożonych równolegle, korzystnie od dwóch do sześćdziesięciu, najkorzystniej od jedenastu do trzydziestu.

Przedmiotem wynalazku jest także sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polegający na tym, że w drukarce 3d w jednej głowicy lub w dwóch odrębnych głowicach drukarki 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy od 0,1 do 1 mm korzystnie 0,2 mm oraz polimer i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą. Korzystnie w sposobie są co najmniej dwie ścieżki drukujące, przy czym ścieżki drukujące drukuje się równolegle. Korzystnie jedna ścieżka składa się z włókna ferromagnetycznego z osnową polimerową, gdzie włókna ferromagnetyczne mają postać drutu wykonanego ze stali lub ze stopu Fe i Si lub stopu Fe i Co lub stopu Fe i Ni lub szkła metalicznego, a osnowę stanowi polimer stosowany w wytwarzaniu addytywnym np. PLA lub PP lub PET lub PA lub PEEK lub ABS lub TPU lub ich mieszanka.

Materiał jest materiałem będącym kompozytem ciągłych włókien ferromagnetycznych w osnowie polimerowej. Powstaje w technologii wytwarzania addytywnego - druku 3d, gdzie włókna ferromagnetyczne oraz polimer nanoszone są w postaci ścieżek tak uformowanych, że włókna ferromagnetyczne zapewniają przewodzenie strumienia zgodnie z torem uformowanym przez krzywiznę ścieżek. Materiał może znacznie ułatwić wykonanie rdzeni magnetycznych przetworników elektromechanicznych, szczególnie o niestandardowym kształcie oraz jednocześnie wyraźnie poprawia ich właściwości względem rozwiązań, w których wyprodukowane byłyby one bez udziału materiału ferromagnetycznego. Ponieważ włókna ferromagnetyczne są od siebie izolowane przez osnowę polimerową - materiał zapewnia minimalizację strat związanych z prądami wirowymi. Przenikalność magnetyczna i wartość pola nasycenia materiału w kierunku włókien ferromagnetycznych wynikałyby z tychże parametrów samych włókien i stosunku pola przekroju poprzecznego wszystkich włókien do pola przekroju materiału (pola przekroju włókien i osnowy) - byłyby iloczynem danego parametru i stosunku pól przekroju.

Wynalazek ma zastosowanie przede wszystkim w wytwarzaniu niewielkich urządzeń elektromechanicznych produkowanych w małej liczbie egzemplarzy. W tego typu urządzeniach pole magn etyczne jest zwykle wytwarzane przez magnesy trwałe, które ze względu na właściwości materiałowe pracują w sposób najbardziej efektywny gdy wartość indukcji w obwodzie magnetycznym wynosi ok. 0,5 T. Uzyskanie takiej wartości indukcji wiąże się z jednak z koniecznością ukierunkowania i wzmocnienia pola magnetycznego przez wykonanie obwodu magnetycznego (przynajmniej częściowo) z materiału ferromagnetycznego. Przy małoskalowej produkcji i niewielkich wymiarach urządzenia jest to trudne i nieopłacalne z użyciem tradycyjnych technik wytwarzania, jednak może być wykonane z użyciem technologii addytywnej. Wynalazek może więc zostać użyty w produkcji urządzeń dopasowanych do bardzo specyficznego zastosowania lub do wykonywania prototypów w procesie projektowania i konstruowania urządzeń elektromechanicznych i elektromagnetycznych:

- harvesterów energii (ang. energy harvesters), czyli generatorów pozyskujących energię elektryczną z otoczenia, „pasożytujących” na układach, do których energia przekazywana jest w innym celu (np. generujących energię podczas otwierania drzwi lub okna); ważne jest, aby harvester był zaprojektowany w sposób maksymalizujący ilość pozyskiwanej energii przy minimalizacji jego objętości i masy, a co za tym idzie należy zoptymalizować kształt i właściwości magnetyczne rdzenia harvestera, co jest możliwe dzięki wykorzystaniu wynalazku;

- urządzeń elektromagnetycznych o ściśle określonych parametrach, np. transformator o zadanej mocy nominalnej, cewka o zadanej indukcyjności - wynalazek może znaleźć zastosowanie w wytwarzaniu w procesie szybkiego prototypowania obwodów magnetycznych takich urządzeń;

- w małoskalowej produkcji przetworników elektromechanicznych (silnika elektrycznego lub elektromagnesu) o parametrach mechanicznych (moment obrotowy lub siłę) innych niż parametry dostępnych na rynku urządzeń danego typu - dzięki zastosowaniu wynalazku do wykonania rdzenia magnetycznego przetwornika możliwe byłoby zmniejszenie jego kosztów i zoptymalizowanie ilości użytych materiałów, a także zoptymalizowanie masy układu wykorzystującego przetwornik - aby zapewnić spełnienie wymagań projektowych wybiera się zazwyczaj przewymiarowane przetworniki elektromechaniczne, które wytwarzają moment obrotowy lub siłę co najmniej równą, a w wielu wypadkach większą niż wynika to z wymagań projektowych.

Przykład I. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien ferromagnetycznych w ilości od 10% do 70% pola przekroju próbki, korzystnie 50% z osnową polimerową. Włókna ferromagnetyczne ciągłe mają postać drutu wykonanego ze stali lub ze stopu Fe i Si lub stopu Fe i Co lub stopu Fe i Ni lub szkła metalicznego, a osnowę stanowi polimer stosowany w wytwarzaniu addytywnym np. PLA lub PP lub PET lub PA lub PEEK lub ABS lub TPU lub ich mieszanka.

Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy od 0,1 do 1 mm korzystnie 0,2 m m oraz polimer w jednej głowicy lub w dwóch odrębnych głowicach drukarki i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

Przy kła d II. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien w ilości sześć wykonanych ze stali niskowęglowej w ilości 10% pola przekroju próbki z osnową wykonaną z PLA. Włókna ferromagnetyczne są ciągłe i mają postać drutu.

Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy 0,1 oraz polimer w jednej głowicy drukarki i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

P r z y k ł a d III. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien w ilości dziesięć wykonanych z żelazokrzemu FeSi w ilości 50% pola przekroju próbki z osnową wykonaną z polipropylenu (PP). Włókna ferromagnetyczne są ciągłe i mają postać drutu. Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy 1 mm oraz polimer w dwóch odrębnych głowicach drukarki i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

Przykład IV. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien w ilości szesnaście wykonanych z permenduru (stop żelaza i kobaltu) w ilości 70% pola przekroju próbki z osnową wykonaną z PET. Włókna ferromagnetyczne są ciągłe i mają postać drutu.

Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy 0,2 mm oraz polimer w dwóch odrębnych głowicach drukarki i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

Przykład V. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien w ilości sześćdziesiąt wykonanych z permaloju (stop żelaza z niklem) w ilości 35% pola przekroju próbki z osnową wykonaną z PA. Włókna ferromagnetyczne są ciągłe i mają postać drutu.

Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy 0,5 mm oraz polimer w jednej głowicy i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

Przykład VI. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien w ilości czterdzieści pięć wykonanych z metglasu (szkło metaliczne) w ilości 60% pola przekroju próbki z osnową wykonaną z TPU. Włókna ferromagnetyczne są ciągłe i mają postać drutu.

Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy 0,6 mm oraz polimer w dwóch odrębnych głowicach drukarki i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

Przykład VII. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy składa się z wiązki włókien w ilości pięćdziesiąt jeden wykonanych ze stali niskowęglowej w ilości 50% pola przekroju próbki z osnową wykonaną z PEEK. Włókna ferromagnetyczne są ciągłe i mają postać drutu.

Włókna ułożone są równolegle względem siebie i względem założonych linii sił pola magnetycznego.

Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polega na tym, że w drukarce 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy 0,8 mm oraz polimer w jednej głowicy drukarki i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

Claims (5)

1. Materiał ferromagnetyczno-polimerowy znamienny tym, że składa się z ułożonych równolegle wiązek ciągłych włókien ferromagnetycznych w ilości od 10% do 70% pola przekroju próbki, korzystnie 50% z osnową polimerową, gdzie włókna ferromagnetyczne mają postać drutu wykonanego ze stali lub ze stopu Fe i Si lub stopu Fe i Co lub stopu Fe i Ni lub szkła metalicznego, a osnowę stanowi polimer stosowany w wytwarzaniu addytywnym korzystnie PLA lub PP lub PET lub PA lub PEEK lub ABS lub TPU lub ich mieszanka.

2. Materiał według zastrz. 1 znamienny tym, że składa się z co najmniej dwóch wiązek ułożonych równolegle, korzystnie od dwóch do sześćdziesięciu, najkorzystniej od jedenastu do trzydziestu.

3. Sposób otrzymywania materiału ferromagnetyczno-polimerowego polegający na tym, że w drukarce 3d w jednej głowicy lub w dwóch odrębnych głowicach drukarki 3d umieszcza się włókno ferromagnetyczne o średnicy od 0,1 do 1 mm korzystnie 0,2 mm oraz polimer i kształtuje się ścieżkę drukującą zależną od kształtu obwodu magnetycznego urządzenia, w którym ma być zastosowane, przy czym drukuje się co najmniej jedną ścieżkę drukującą.

4. Sposób według zastrz. 3 znamienny tym, że są co najmniej dwie ścieżki drukujące, przy czym ścieżki drukujące drukuje się równolegle.

5. Sposób według zastrz. 3 lub 4 znamienny tym, że jedna ścieżka składa się z włókna ferromagnetycznego z osnową polimerową, gdzie włókna ferromagnetyczne mają postać drutu wykonanego ze stali lub ze stopu Fe i Si lub stopu Fe i Co lub stopu Fe i Ni lub szkła metalicznego, a osnowę stanowi polimer stosowany w wytwarzaniu addytywnym np. PLA lub PP lub PET lub PA lub PEEK lub ABS lub TPU lub ich mieszanka.