Innovative Technik: Forscher haben erstmals Magnete per 3D-Druck erzeugt. Im Computer designt, wird der gewünschte Magnet millimetergenau aus einem Metall-Kunststoff-Granulat ausgedruckt. Dadurch lassen sich selbst komplexe Formen und spezielle Magnetfelder schneller und billiger als bisher produzieren.
Magnete werden in vielen technischen Geräten eingesetzt. Sie sind im Fahrraddynamo verbaut, in Mikrowellen und selbst neue Windkraftanlagen nutzen die vielen Vorteile des Phänomens Magnetismus. Starke Magnete herzustellen ist heute technisch kein Problem. Schwierig ist es allerdings, einen Permanentmagneten zu erschaffen, dessen Magnetfeld eine ganz bestimmte vorgegebene Gestalt annimmt.
Auf das Magnetfeld kommt es an
„Es kommt nicht immer nur auf die Stärke eines Magnetfeldes an“, erklärt Dieter Süss von der TU Wien. „Oft benötigen wir spezielle Magnetfelder, deren Feldlinien auf ganz bestimmte Weise angeordnet sind – zum Beispiel ein Magnetfeld, das in einer Richtung ziemlich konstant ist, dessen Stärke sich aber entlang einer anderen Richtung stark verändert.“
Um solche Anforderungen zu erfüllen, müssen Magnete häufig komplexe geometrische Formen haben. Bisher werden solche Spezialmagneten beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt. Das ist jedoch zeitaufwendig und teuer, weil eigens dafür neue Formen produziert werden müssen.
Drucken statt gießen
Süss und seine Kollegen haben dafür nun eine neue Lösung entwickelt: Mit ihrem Verfahren kann man Dauermagnete im 3D-Drucker herstellen. Dadurch lassen sich selbst komplex geformte Magneten und maßgeschneiderte Magnetfelder relativ schnell und einfach realisieren.
Für das neue Magnet-3D-Druckverfahren wird zunächst das Modell am Computer entworfen. Dabei kann man die Form solange anpassen, bis das Magnetfeld alle gewünschten Anforderungen erfüllt.
Schnüre aus metallischem Mikro-Granulat
Das Funktionsprinzip des Druckens ist ähnlich wie bei 3D-Druckern, die Kunststoffgegenstände ausdrucken. Allerdings arbeitet der Magnet-Drucker mit speziell hergestellten Schnüren aus metallischem Mikro-Granulat, das von einem Kunststoff-Bindematerial zusammengehalten wird. In ersten Tests verwendeten die Forscher ein Granulat aus Neodym, Eisen und Bor.
Im Drucker wird das Material erhitzt und mit einer Düse Punkt für Punkt an den richtigen Stellen aufgebracht. So entsteht ein dreidimensionales Objekt, das zu ungefähr 90 Prozent aus magnetischem Material und zu 10 Prozent aus Kunststoff besteht. Dieses Endprodukt ist zunächst noch nicht magnetisch, weil das Granulat in unmagnetisiertem Zustand eingebracht wird. Das fertige Objekt wird erst am Ende einem starken äußeren Magnetfeld ausgesetzt, dadurch wird es zum Permanentmagneten.
Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten
Das neue Verfahren ist nicht nur schnell und billig, es ist auch sehr genau:„Die Magnetdesigns, die wir am Computer berechnen, können wir damit rasch und präzise umsetzen – in einem Größenbereich von wenigen Zentimetern bis zu Dezimetern, mit einer Genauigkeit von weit unter einem Millimeter“, erklärt Süss.
Ein weiterer Vorteil: Man kann in einem einzigen Magneten unterschiedliche Materialien verarbeiten, beispielweise wie bei den besonders starken Neodym-Eisen-Bor Magneten.
Wie die Forscher berichten, eröffnet das Verfahren damit auch neue Möglichkeiten, die mit anderen Techniken undenkbar waren: Beispielsweise kann damit ein sanfter Übergang zwischen starkem und schwachem Magnetismus erzeugt werden. „Nun werden wir ausloten, wie weit wir gehen können – aber bereits jetzt ist klar, dass der 3D-Druck Möglichkeiten im Magnet-Design bietet, von denen wir bisher nur träumen konnten“, meint Dieter Süss. (American Institute of Physics, 2016; doi:10.1063/1.4964856)
(Technische Universität Wien, 25.10.2016 – HDI)
