In

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17590 (2022) Citare questo articolo

1416 accessi

2 citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

All'interno di questo lavoro, dimostriamo l'allineamento in situ delle particelle magnetiche monocristalline ad asse facile all'interno di una matrice polimerica utilizzando la fabbricazione di filamenti fusi. Vengono studiati due diversi materiali magnetici: (i) esaferrite di stronzio all'interno di una matrice PA6, grado di riempimento: 49 vol% e (ii) nitruro di ferro e samario all'interno di una matrice PA12, grado di riempimento: 44 vol%. In presenza del campo di allineamento esterno, le particelle di esaferrite di stronzio all'interno della matrice PA6 possono essere ben allineate con un rapporto tra magnetizzazione residua e magnetizzazione di saturazione in un asse facile di 0,7. Non è stato possibile ottenere alcun allineamento significativo per il nitruro di ferro e samario. I risultati mostrano la fattibilità di fabbricare magneti con un asse facile arbitrario e definito localmente utilizzando la fabbricazione di filamenti fusi poiché i magneti permanenti (o in alternativa un elettromagnete) possono essere montati su una piattaforma girevole.

La produzione additiva di materiali magnetici, tra cui materiali magnetici dolci, materiali magnetici duri, leghe a memoria di forma e leghe magnetiche graduate, ha recentemente ricevuto notevole attenzione1. Una possibilità particolarmente interessante è lo sviluppo accelerato di materiali magnetici utilizzando metodi ad alto rendimento basati sulla produzione additiva2,3. Un’altra storia di successo della produzione additiva è il concetto di personalizzazione di massa4 che viene utilizzato ad esempio per realizzare apparecchi ortodontici in plastica utilizzando la stereolitografia 3D5. L'applicazione di un concetto di personalizzazione magnetica è stata dimostrata da Huber et al.6 in cui l'omogeneità di un campo magnetico in una cavità (utilizzata ad esempio per calibrare un sensore magnetico) è stata migliorata utilizzando elementi di spessoramento passivi ottimizzati per topologia e prodotti in modo additivo.

Nel 2016 è stata segnalata per la prima volta la fabbricazione di magneti permanenti stampati in 3D. Nel lavoro di Huber et al. i magneti Nd-Fe-B legati sono stati realizzati utilizzando stampanti per la fabbricazione di filamenti fusi disponibili in commercio utilizzando filamenti magnetici composti da particelle isotrope di Nd-Fe-B incorporate in una matrice polimerica7. Nello stesso anno Paranthaman et al. realizzato magneti Nd-Fe-B incollati utilizzando il binder jetting8,9. Magneti legati a Nd-Fe-B con altissima risoluzione laterale sono stati realizzati utilizzando la stereolitografia10. Magneti densi Nd-Fe-B senza matrice polimerica sono stati fabbricati utilizzando tecniche di produzione additiva basate su laser11,12, in cui il processo di diffusione dei bordi dei grani è stato utilizzato per migliorare la coercività dei magneti NdFeB13.

In tutti questi lavori precedenti sui magneti permanenti fabbricati in modo additivo sono stati prodotti magneti isotropi. Nei magneti permanenti isotropi la rimanenza è significativamente inferiore alla magnetizzazione di saturazione, il che limita le prestazioni di questi magneti. Un passo avanti significativo è la fabbricazione di magneti anisotropi, in cui ciascuna particella magnetica è composta da un singolo cristallo magnetico con un unico asse facile. Se viene applicato un campo esterno Hext, sulla particella agisce una coppia meccanica T. Per un dato campo esterno Hext la coppia meccanica può essere calcolata determinando prima la magnetizzazione dell'equilibrio micromagnetico M(x) all'interno di ciascuna particella. Quindi la coppia meccanica T può essere calcolata con

dove Vparticella è il volume della particella. La direzione di equilibrio di M(x) dipende dall'anisotropia cristallina, dall'energia smagnetizzante, che dà origine anche all'anisotropia di forma, dall'energia di scambio e ovviamente dal campo esterno Hext. Per particelle a dominio singolo senza anisotropia di forma la coppia meccanica cerca di allineare l'asse facile parallelo al campo esterno Hext. La coppia contrastante è dovuta alla viscosità e all'attrito del composto fuso. Un modello di allineamento che descrive le interazioni accoppiate particella-fluido-campo magnetico durante la produzione additiva di magneti legati anisotropi è presentato da Sarker et al.14.