I ricercatori sviluppano un nuovo metodo per stampare nuclei magnetici in 3D per macchine elettriche

I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Tallinn e dell’Università estone di scienze della vita stanno studiando l’uso della tecnologia di stampa 3D per produrre nuclei magnetici morbidi.

I nuclei magnetici sono pezzi di materiale magnetico ad alta permeabilità. Sono comunemente usati per guidare e dirigere i campi magnetici in un'ampia varietà di sistemi e macchine elettrici, inclusi elettromagneti, trasformatori, motori elettrici, generatori, induttori e altri gruppi magnetici.

Fino ad ora, la stampa 3D di nuclei magnetici morbidi ha rappresentato una sfida importante a causa delle difficoltà nel preservare l’efficienza del nucleo. Il team di ricerca ha ora proposto un flusso di lavoro completo di produzione additiva basato su laser che, secondo loro, può fornire proprietà magnetiche superiori ai compositi magnetici morbidi.

Stampa 3D di materiali elettromagnetici

La produzione additiva di metalli con proprietà elettromagnetiche è un campo di ricerca emergente. La comunità di ricerca sulle macchine elettriche sta ora iniziando a sviluppare e integrare i propri componenti stampati in 3D nei sistemi, citando la libertà di progettazione come un enorme vantaggio per l’innovazione.

Ad esempio, la stampa 3D di parti complesse funzionali con proprietà magnetiche ed elettriche potrebbe aprire la strada a macchine personalizzate con motori, attuatori, circuiti elettrici e riduttori incorporati. Tali macchine potrebbero essere prodotte in impianti di produzione digitale con assemblaggio, post-elaborazione e spreco di materiale minimi, con molti dei componenti mobili stampati in 3D.

Sfortunatamente, la stampa 3D di grandi sezioni di macchine elettriche complesse non è ancora una realtà a causa di diversi fattori. Questi dispositivi hanno spesso requisiti impegnativi, come piccoli traferri per una migliore densità di potenza, per non parlare della necessità di assemblaggi multimateriale.

Pertanto, la ricerca finora si è concentrata principalmente su parti più “base” come rotori magnetici morbidi stampati in 3D, bobine di rame e guide termiche in allumina. Anche i nuclei magnetici morbidi sono di notevole interesse, ma ridurre al minimo la perdita del nucleo nel processo di stampa 3D è un ostacolo ancora da superare.

Un flusso di lavoro di stampa 3D ottimizzato

Con l’obiettivo di mostrare un flusso di lavoro di stampa 3D ottimizzato per nuclei magnetici, i ricercatori hanno determinato i migliori parametri di processo per l’applicazione, tra cui potenza del laser, velocità di scansione, spaziatura dei tratteggi e spessore dello strato.

Il team ha inoltre esaminato gli effetti dei parametri di ricottura per ottenere perdite CC minime, perdite quasi statiche, per isteresi e la massima permeabilità magnetica. La temperatura di ricottura ottimale è stata determinata a 1200°C, che ha dato come risultato la densità relativa più alta di 99,86%, la rugosità superficiale più bassa di 0,041 mm, perdite minime per isteresi di 0,8 W/kg e carico di snervamento finale di 420 MPa.

Alla fine, i ricercatori estoni hanno dimostrato che la produzione additiva di metalli basata sul laser è un metodo praticabile per stampare in 3D materiali con nucleo magnetico per applicazioni su macchine elettriche.

Per quanto riguarda il lavoro futuro, il team intende caratterizzare le microstrutture delle parti per ottenere informazioni sulla dimensione e l'orientamento dei grani, nonché sui loro effetti sulla permeabilità e sulla forza magnetiche. I ricercatori studieranno inoltre ulteriormente le modalità per ottimizzare le geometrie dei nuclei stampati in 3D per migliorare le prestazioni.

Ulteriori dettagli sullo studio sono reperibili nel documento intitolato "Progettazione e processo di nuclei magnetici prodotti mediante laser in modo additivo per applicazioni di macchine elettriche".

La combinazione di stampa 3D e magnetismo consente tutta una serie di nuove applicazioni, oltre alle sole macchine elettriche. All’inizio di quest’anno, un team internazionale di scienziati guidati dal Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge ha utilizzato la stampa 3D per sviluppare una serie di nanomagneti microscopici. Creati utilizzando un processo di stampa 3D personalizzato, i nanomagneti hanno la forma di una doppia elica ispirata al DNA e si dimostrano promettenti in settori come l’intrappolamento di particelle, le tecniche di imaging e i materiali intelligenti.