Spezial-Magnete aus dem 3D-Drucker

Spezialmagnete für Windkraft, Elektronik und Co könnten bald einfacher hergestellt werden – durch 3D-Druck. Denn Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich diese Dauermagnete durch laserbasierten 3D-Druck herstellen lassen. Dabei schmilzt ein Laser das Pulver aus Eisen und Seltenerdmetallen in die gewünschte Form. Weil dabei anders als bei bestehenden 3D-Druckmethoden kein Bindemittel benötigt wird, können die resultierenden Magnete eine höhere Leistungsdichte bringen.

Leistungsfähige Dauermagnete Magnete sind für viele Bereiche in der Forschung und Technik unverzichtbar. In der Medizin sind sie für die Magnetresonanztomographie (MRT) notwendig, sie stecken in Windkraftanlagen, Elektromotoren und magnetischen Schaltsystemen. Wegen ihrer hohen Energiedichte und Magnetstärke kommen dabei meist Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) zum Einsatz.

Oft kommt es bei den Anwendungen aber nicht nur auf die Stärke des Magnetfelds, sondern auch auf die Größe und Form des Magneten an. So werden häufig Magnete benötigt, die möglichst klein sein sollten oder deren Feldlinien auf ganz spezielle Weise angeordnet sind.

Laserschmelzen statt Kunststoff-Kleber

Bisher werden diese Spezialmagneten vor allem im Spritzgußverfahren hergestellt. Dieses ist jedoch aufwendig und teuer, da für jeden Magnettypen eine neue Form hergestellt werden muss. Zwar lassen sich auch schon Neodym-Magnete durch das sogenannte Additive Manufacturing und im 3D-Druck herstellen, bei letzterem wurde aber bislang ein Kunststoff-Bindemittel benötigt. Dieses jedoch mindert die Leistung der resultierenden Magnete.

Doch das Bindemittel ist nun obsolet: Ein Forscherteam um Jörg Franke von der Universität Erlangen-Nürnberg ist es nun gelungen, passgenau Dauermagnete mittels laserbasierten 3D-Druck zu erzeugen. Wie beim vorherigen Verfahren wird das Metall-Granulat dafür schichtweise aufgetragen. Anschließend werden die Partikel durch einen Laserstrahl miteinander verschmolzen. Mit einer Reihe von Tests gelang es den Forschern, die optimale Kombination von Laserenergie und Pulverschichtdicke zu ermitteln. Das Granulat bestand aus den Elementen Neodynm, Praseodym, Eisen, Kobalt, Bor, Zirkonium und Titan.

Starke Magneten mit hoher Dichte

Als Resultat erhielten sie ein Material, das auch ohne Kunststoffkleber zusammenhielt. „Wir konnten die Proben mit einem hohe Grad der Präzision und ohne größere Defekte drucken.“, berichten Franke und sein Team. Auch die Form ließ sich ohne unerwünschte Verzerrungen oder Abweichungen mit dem Laser erstellen. Wurden die fertig gedruckten Objekte einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt, wurden sie wie erhofft zu leistungsfähigen Permanentmagneten.

„Es ist uns gelungen, Magneten mit sowohl hoher relativer Dichte als auch guten magnetischen Eigenschaften herzustellen“, konstatieren Franke und sein Team. Das eröffnete die Möglichkeit, künftig mit diesem laserbasierten 3D-Druck-Verfahren maßgeschneiderte Magnete für die jeweiligen Anwendungen zu produzieren. (Materials, 2020; doi: 10.3390/ma13010139)

Quelle: Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg