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 河北 050043）

釹鐵硼是目前已知的磁性最強的永磁材料，是風力發電、新能源汽車、變頻空調及節能工業電機等領域小型輕量化和高效節能化的驅動核心[1-2]。傳統制備釹鐵硼的方法有燒結和粘結兩種。但是燒結釹鐵硼脆性大，含有Nd、Dy、Tb等戰略稀土元素，不易切削加工。粘結釹鐵硼制作模具會增加成本，限制應用。

3D打印廣泛應用于材料加工成型，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及大面積增材制造技術[3]。利用激光粉末床技術制備NdFeB發現磁體的組織結構跟熱輸入有很大關系，易出現裂紋[4-7]。直寫式3D打印具有設備簡單、操作便捷等優點，利于生產推廣。Compton等[8]利用Epon 862環氧樹脂做粘結劑成功研制出了一種可3D打印的環氧基直寫油墨，并打印出了環形、棒狀和馬蹄形三維磁鐵結構，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進行了詳細研究，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混料，取NdFeB分兩次加入預混料中并攪拌均勻，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A3S和點膠調節器完成。使用SolidWorks軟件進行建模，使用Cura對所建模型進行切片處理，得到G代碼。采用SU8010型掃描電鏡進行形貌測試；使用NDJ-8S-數顯黏度計測量墨水黏度；采用靜置沉降實驗測量沉降穩定性；利用NIM-15000H大塊稀土永磁無損檢測系統進行磁性能檢測。

2.結果與討論

（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。當質量分數為88%、89%、91%時，起始黏度很大，然后迅速降低，性能不夠穩定。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。黏度過大或者不穩定都會影響墨水的流動性，使墨水擠出速度和直徑不穩定，最終導致打印磁體致密度下降，出現缺陷。為保證打印線條的均勻和穩定性，對4種不同固含量的墨水進一步做了擠出穩定性測試，結果見圖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致針頭堵塞。結果同樣顯示90%固含量墨水的擠出速率最為平穩。

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，布朗運動會導致未能有效包裹的磁粉發生團聚，因此穩定性差，沉降率高。油酸增加到0.05mL，磁粉被包覆得更加均勻，在表面形成保護膜，減弱了顆粒間的相互碰撞，穩定性增加，沉降率最低。油酸增加到0.075mL和0.1mL，過量的分散劑導致磁粉被包裹的同時，出現多余的分散劑分子，墨水的穩定性變得更差，沉降率反而增大。最終表明，經48h的沉降測試，5組墨水均已達到穩定狀態。油酸為0.05mL時，沉降率為1.63%，遠低于其他4組，穩定性最好，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。質量分數為88%以及89%磁粉的墨水打印出的線條在靜置1～2s后發生了形變坍塌，出現了粗細不均等問題。而質量分數為90%磁粉打印的線條均勻，無明顯塌陷。綜上，墨水質量分數為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。研究發現，壓力過小會導致打印堵塞；壓力過大會導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，使疊加層數速度加快，不利于坯體成型。結果顯示1kg/cm3氣壓下擠出量最為平穩，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。結果顯示20mm/s打印線條過粗，說明打印速度過慢，導致在單位時間內所移動距離過短，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，很顯然是速度過大，大范圍的位移導致墨水擠出供給不上，導致中間線條受兩端拉力的影響延長變細。

圖5 不同打印速度下打印線條

經過對打印墨水及打印參數的研究，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，層與層之間結合緊密；圖6（c）坯體內部則看不到明顯的線條，確保坯體內部的致密性，從而減少缺陷的存在；對坯體外邊緣進行觀察，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打印仍展現出了很好的應用前景。

圖7 3D打印釹鐵硼磁體的退磁曲線

3.結論

（1）要實現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量分數為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出較好的應用前景。