直写式3D打印NdFeB永磁体工艺研究

＊刘浩天 刘子成 杨欣雨 马雪晶 李圣华 胡洁

（石家庄铁道大学 河北 050043）

钕铁硼是目前已知的磁性最强的永磁材料，是风力发电、新能源汽车、变频空调及节能工业电机等领域小型轻量化和高效节能化的驱动核心[1-2]。传统制备钕铁硼的方法有烧结和粘结两种。但是烧结钕铁硼脆性大，含有Nd、Dy、Tb等战略稀土元素，不易切削加工。粘结钕铁硼制作模具会增加成本，限制应用。

3D打印广泛应用于材料加工成型，但是针对钕铁硼的研究还较少，研究主要集中于激光粉末床技术及大面积增材制造技术[3]。利用激光粉末床技术制备NdFeB发现磁体的组织结构跟热输入有很大关系，易出现裂纹[4-7]。直写式3D打印具有设备简单、操作便捷等优点，利于生产推广。Compton等[8]利用Epon 862环氧树脂做粘结剂成功研制出了一种可3D打印的环氧基直写油墨，并打印出了环形、棒状和马蹄形三维磁铁结构，在空气中固化得到了磁粉体积占比为40%的钕铁硼磁体，但是固含量相对较低，磁性能下降。

本文对直写式3D打印钕铁硼的打印墨水配比及打印参数进行了详细研究，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.试验部分

（1）打印墨水的制备。墨水主要由广州新诺德传动部件有限公司的LW-N-400各项同性钕铁硼磁粉、油酸、松香，浙江丰虹新材料股份有限公司的DK4聚合物级有机纳米黏土、酒精组成。先将松香溶解到酒精里，搅拌至固状物无沉淀后滴入油酸形成预混料，取NdFeB分两次加入预混料中并搅拌均匀，之后加入黏土片再次搅拌到混合均匀，得到打印墨水。

（2）试验仪器。打印由极光尔沃3D打印机A3S和点胶调节器完成。使用SolidWorks软件进行建模，使用Cura对所建模型进行切片处理，得到G代码。采用SU8010型扫描电镜进行形貌测试；使用NDJ-8S-数显黏度计测量墨水黏度；采用静置沉降实验测量沉降稳定性；利用NIM-15000H大块稀土永磁无损检测系统进行磁性能检测。

2.结果与讨论

（1）打印墨水配比研究。图1（a）为不同NdFeB固含量墨水的黏度值随时间的变化曲线。当质量分数为88%、89%、91%时，起始黏度很大，然后迅速降低，性能不够稳定。88%、89%的黏度最终降低至160kcp，90%、91%的黏度降低至20kcp。90%的黏度曲线最平稳。黏度过大或者不稳定都会影响墨水的流动性，使墨水挤出速度和直径不稳定，最终导致打印磁体致密度下降，出现缺陷。为保证打印线条的均匀和稳定性，对4种不同固含量的墨水进一步做了挤出稳定性测试，结果见图1（b）。测试初期随着固含量的增加，墨水的挤出速率增大。但是固含量过大会导致针头堵塞。结果同样显示90%固含量墨水的挤出速率最为平稳。

图1 不同固含量墨水的黏度值（a）、挤出速率（b）随时间的变化曲线

油酸作为分散剂在墨水中可以避免粉末团聚，增加润湿性，使打印更加顺滑。图2为不同油酸含量墨水的沉降率随时间的变化曲线。结果显示，加入0.025mL油酸，沉积率下降。但是油酸浓度较低，不能对磁粉颗粒有效包覆，布朗运动会导致未能有效包裹的磁粉发生团聚，因此稳定性差，沉降率高。油酸增加到0.05mL，磁粉被包覆得更加均匀，在表面形成保护膜，减弱了颗粒间的相互碰撞，稳定性增加，沉降率最低。油酸增加到0.075mL和0.1mL，过量的分散剂导致磁粉被包裹的同时，出现多余的分散剂分子，墨水的稳定性变得更差，沉降率反而增大。最终表明，经48h的沉降测试，5组墨水均已达到稳定状态。油酸为0.05mL时，沉降率为1.63%，远低于其他4组，稳定性最好，有利于减少后期打印形变。

图2 不同油酸含量墨水的沉降率随时间的变化曲线

图3为不同固含量下的打印线条照片。质量分数为88%以及89%磁粉的墨水打印出的线条在静置1～2s后发生了形变坍塌，出现了粗细不均等问题。而质量分数为90%磁粉打印的线条均匀，无明显塌陷。综上，墨水质量分数为90%磁粉，0.05mL油酸的打印性能最好。

图3 不同固含量下的打印线条照片

（2）打印参数的影响。图4分别为不同挤出压力下，挤出量随时间的变化曲线。研究发现，压力过小会导致打印堵塞；压力过大会导致挤出的墨水不均匀，影响打印线条的匀称性；并且气压过大会使挤出墨水过多，使叠加层数速度加快，不利于坯体成型。结果显示1kg/cm3气压下挤出量最为平稳，有利于控制打印效果。

图4 不同压力下挤出量随时间的变化曲线

图5为不同打印速度下打印线条照片。结果显示20mm/s打印线条过粗，说明打印速度过慢，导致在单位时间内所移动距离过短，挤出的墨水较多，过多的墨水堆积在一起形成了粗线条。25mm/s时，在同一位置堆积的墨水减少，但是较慢的速度使得墨水仍然无法保持一条直线，就形成了图5（b）这种弯曲的线条。图5（c）速度到30mm/s，可见长直线粗细均匀，线条可以保持定型不塌陷。35mm/s时线条变成了两端粗中间细，很显然是速度过大，大范围的位移导致墨水挤出供给不上，导致中间线条受两端拉力的影响延长变细。

图5 不同打印速度下打印线条

经过对打印墨水及打印参数的研究，在该种打印模式下打印了多组不同形状磁体来测试墨水的打印性能，如图6（a）所示，打印的坯体能够长时间保持固有性状，能够胜任复杂形状的3D打印。图6（b）为长方形坯体的横截面，可以清楚地看到打印层的分界线，层间厚度为450μm，层与层之间结合紧密；图6（c）坯体内部则看不到明显的线条，确保坯体内部的致密性，从而减少缺陷的存在；对坯体外边缘进行观察，如图6（d），线条均匀呈直线，无弯曲折断，层间厚度为450μm，与内部的层间厚度一致。

图6 打印坯体形貌图

（3）磁性能。将打印出的长方体坯体在真空管式炉中120℃固化5h。图7为磁体的退磁曲线。剩磁Br为3.53kGS，矫顽力Hcj为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]，直写式3D打印仍展现出了很好的应用前景。

图7 3D打印钕铁硼磁体的退磁曲线

3.结论

（1）要实现高精度及高磁性能的钕铁硼磁体3D打印，首先需要制备高固含量的钕铁硼墨水。本文成功研究出了质量分数为90%固含量，油酸为0.05mL，酒精为4mL，松香为3.5g，纳米黏土含量为1.5g的打印墨水。选择挤出压力为1kg/cm2，打印速度为30mm/s，可成功制备多组不同形状的打印磁体，打印的坯体能够长时间保持固有性状。

（2）120℃固化5h后磁体的磁性能可以达到剩磁Br为3.53kGS，矫顽力Hcj为7.31kOe。低温直写式3D打印钕铁硼磁体展现出较好的应用前景。