直寫式3D打印NdFeB永磁體工藝研究

＊劉浩天 劉子成 楊欣雨 馬雪晶 李圣華 胡潔

（石家莊鐵道大學(xué) 河北 050043）

釹鐵硼是目前已知的磁性最強(qiáng)的永磁材料，是風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、變頻空調(diào)及節(jié)能工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域小型輕量化和高效節(jié)能化的驅(qū)動核心[1-2]。傳統(tǒng)制備釹鐵硼的方法有燒結(jié)和粘結(jié)兩種。但是燒結(jié)釹鐵硼脆性大，含有Nd、Dy、Tb等戰(zhàn)略稀土元素，不易切削加工。粘結(jié)釹鐵硼制作模具會增加成本，限制應(yīng)用。

3D打印廣泛應(yīng)用于材料加工成型，但是針對釹鐵硼的研究還較少，研究主要集中于激光粉末床技術(shù)及大面積增材制造技術(shù)[3]。利用激光粉末床技術(shù)制備NdFeB發(fā)現(xiàn)磁體的組織結(jié)構(gòu)跟熱輸入有很大關(guān)系，易出現(xiàn)裂紋[4-7]。直寫式3D打印具有設(shè)備簡單、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，利于生產(chǎn)推廣。Compton等[8]利用Epon 862環(huán)氧樹脂做粘結(jié)劑成功研制出了一種可3D打印的環(huán)氧基直寫油墨，并打印出了環(huán)形、棒狀和馬蹄形三維磁鐵結(jié)構(gòu)，在空氣中固化得到了磁粉體積占比為40%的釹鐵硼磁體，但是固含量相對較低，磁性能下降。

本文對直寫式3D打印釹鐵硼的打印墨水配比及打印參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，旨在提高墨水中磁粉的含量并可以保持良好的打印效果及磁性能。

1.試驗部分

（1）打印墨水的制備。墨水主要由廣州新諾德傳動部件有限公司的LW-N-400各項同性釹鐵硼磁粉、油酸、松香，浙江豐虹新材料股份有限公司的DK4聚合物級有機(jī)納米黏土、酒精組成。先將松香溶解到酒精里，攪拌至固狀物無沉淀后滴入油酸形成預(yù)混料，取NdFeB分兩次加入預(yù)混料中并攪拌均勻，之后加入黏土片再次攪拌到混合均勻，得到打印墨水。

（2）試驗儀器。打印由極光爾沃3D打印機(jī)A3S和點(diǎn)膠調(diào)節(jié)器完成。使用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，使用Cura對所建模型進(jìn)行切片處理，得到G代碼。采用SU8010型掃描電鏡進(jìn)行形貌測試；使用NDJ-8S-數(shù)顯黏度計測量墨水黏度；采用靜置沉降實驗測量沉降穩(wěn)定性；利用NIM-15000H大塊稀土永磁無損檢測系統(tǒng)進(jìn)行磁性能檢測。

2.結(jié)果與討論

（1）打印墨水配比研究。圖1（a）為不同NdFeB固含量墨水的黏度值隨時間的變化曲線。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%、89%、91%時，起始黏度很大，然后迅速降低，性能不夠穩(wěn)定。88%、89%的黏度最終降低至160kcp，90%、91%的黏度降低至20kcp。90%的黏度曲線最平穩(wěn)。黏度過大或者不穩(wěn)定都會影響墨水的流動性，使墨水?dāng)D出速度和直徑不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致打印磁體致密度下降，出現(xiàn)缺陷。為保證打印線條的均勻和穩(wěn)定性，對4種不同固含量的墨水進(jìn)一步做了擠出穩(wěn)定性測試，結(jié)果見圖1（b）。測試初期隨著固含量的增加，墨水的擠出速率增大。但是固含量過大會導(dǎo)致針頭堵塞。結(jié)果同樣顯示90%固含量墨水的擠出速率最為平穩(wěn)。

圖1 不同固含量墨水的黏度值（a）、擠出速率（b）隨時間的變化曲線

油酸作為分散劑在墨水中可以避免粉末團(tuán)聚，增加潤濕性，使打印更加順滑。圖2為不同油酸含量墨水的沉降率隨時間的變化曲線。結(jié)果顯示，加入0.025mL油酸，沉積率下降。但是油酸濃度較低，不能對磁粉顆粒有效包覆，布朗運(yùn)動會導(dǎo)致未能有效包裹的磁粉發(fā)生團(tuán)聚，因此穩(wěn)定性差，沉降率高。油酸增加到0.05mL，磁粉被包覆得更加均勻，在表面形成保護(hù)膜，減弱了顆粒間的相互碰撞，穩(wěn)定性增加，沉降率最低。油酸增加到0.075mL和0.1mL，過量的分散劑導(dǎo)致磁粉被包裹的同時，出現(xiàn)多余的分散劑分子，墨水的穩(wěn)定性變得更差，沉降率反而增大。最終表明，經(jīng)48h的沉降測試，5組墨水均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。油酸為0.05mL時，沉降率為1.63%，遠(yuǎn)低于其他4組，穩(wěn)定性最好，有利于減少后期打印形變。

圖2 不同油酸含量墨水的沉降率隨時間的變化曲線

圖3為不同固含量下的打印線條照片。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%以及89%磁粉的墨水打印出的線條在靜置1～2s后發(fā)生了形變坍塌，出現(xiàn)了粗細(xì)不均等問題。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%磁粉打印的線條均勻，無明顯塌陷。綜上，墨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%磁粉，0.05mL油酸的打印性能最好。

圖3 不同固含量下的打印線條照片

（2）打印參數(shù)的影響。圖4分別為不同擠出壓力下，擠出量隨時間的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)，壓力過小會導(dǎo)致打印堵塞；壓力過大會導(dǎo)致擠出的墨水不均勻，影響打印線條的勻稱性；并且氣壓過大會使擠出墨水過多，使疊加層數(shù)速度加快，不利于坯體成型。結(jié)果顯示1kg/cm3氣壓下擠出量最為平穩(wěn)，有利于控制打印效果。

圖4 不同壓力下擠出量隨時間的變化曲線

圖5為不同打印速度下打印線條照片。結(jié)果顯示20mm/s打印線條過粗，說明打印速度過慢，導(dǎo)致在單位時間內(nèi)所移動距離過短，擠出的墨水較多，過多的墨水堆積在一起形成了粗線條。25mm/s時，在同一位置堆積的墨水減少，但是較慢的速度使得墨水仍然無法保持一條直線，就形成了圖5（b）這種彎曲的線條。圖5（c）速度到30mm/s，可見長直線粗細(xì)均勻，線條可以保持定型不塌陷。35mm/s時線條變成了兩端粗中間細(xì)，很顯然是速度過大，大范圍的位移導(dǎo)致墨水?dāng)D出供給不上，導(dǎo)致中間線條受兩端拉力的影響延長變細(xì)。

圖5 不同打印速度下打印線條

經(jīng)過對打印墨水及打印參數(shù)的研究，在該種打印模式下打印了多組不同形狀磁體來測試墨水的打印性能，如圖6（a）所示，打印的坯體能夠長時間保持固有性狀，能夠勝任復(fù)雜形狀的3D打印。圖6（b）為長方形坯體的橫截面，可以清楚地看到打印層的分界線，層間厚度為450μm，層與層之間結(jié)合緊密；圖6（c）坯體內(nèi)部則看不到明顯的線條，確保坯體內(nèi)部的致密性，從而減少缺陷的存在；對坯體外邊緣進(jìn)行觀察，如圖6（d），線條均勻呈直線，無彎曲折斷，層間厚度為450μm，與內(nèi)部的層間厚度一致。

圖6 打印坯體形貌圖

（3）磁性能。將打印出的長方體坯體在真空管式爐中120℃固化5h。圖7為磁體的退磁曲線。剩磁Br為3.53kGS，矯頑力Hcj為7.31kOe。同初始磁粉相比，磁性能有所下降，但是下降程度低于前期研究[8]，直寫式3D打印仍展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

圖7 3D打印釹鐵硼磁體的退磁曲線

3.結(jié)論

（1）要實現(xiàn)高精度及高磁性能的釹鐵硼磁體3D打印，首先需要制備高固含量的釹鐵硼墨水。本文成功研究出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%固含量，油酸為0.05mL，酒精為4mL，松香為3.5g，納米黏土含量為1.5g的打印墨水。選擇擠出壓力為1kg/cm2，打印速度為30mm/s，可成功制備多組不同形狀的打印磁體，打印的坯體能夠長時間保持固有性狀。

（2）120℃固化5h后磁體的磁性能可以達(dá)到剩磁Br為3.53kGS，矯頑力Hcj為7.31kOe。低溫直寫式3D打印釹鐵硼磁體展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。