一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法技术

本发明专利技术涉及粉末冶金领域，公开了一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，包括步骤：(1)将增塑剂、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素溶解在溶剂中；(2)再加入分散剂搅拌至呈半透明胶态物质；(3)加入永磁粉和光敏树脂混合形成永磁浆料；(4)在紫外灯照射下，用永磁浆料在直写打印机中打印出坯体，待坯体干燥定型后进行后处理，得到永磁体。本发明专利技术的方法中采用多种粘接剂配方对打印浆料进行优化，解决直写打印的精度问题和永磁体后处理过程中有机粘接剂难脱除的问题，获得的永磁体碳含量低、综合磁性能更高。

A method of preparing permanent magnets by stereolithography assisted direct writing 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法
本专利技术涉及粉末冶金领域，具体涉及一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法。
技术介绍
磁性材料是国民经济和军事领域的重要基础材料之一，广泛地应用于航空航天、军事技术、工业自动化、医疗健康、汽车制造、家用电器、信息通讯等领域。随着节能减排政策的逐步落实和移动电子消费品市场的快速增长，电子器件及系统集成度越来越高，结构越来越复杂，智能化程度越来越高，能源利用也越来越高效。它不仅要求磁性材料本身具有高的磁性能，而且要求通过磁路结构优化设计使磁损耗尽量低，结构更加紧凑和高效。目前用量最大、综合磁性能最好的钕铁硼(NdFeB)磁性材料，由于其本身较脆，很难通过塑性变形制造复杂形状的磁体。一般都是先制备成块体材料，再通过机械加工的方式制造成片型、瓦型、环形或者柱形单体，然后根据设计拼接成需要的复杂结构。在机械加工过程中，材料利用率较低，不利于稀土这类资源的高值化利用。而且在拼接过程中，存在一些磁隙，导致磁性能不连续及磁损耗。增材制造技术(俗称3d打印)是利用计算机设计出3维虚拟实体(也称三维模型)，再将三维模型分割成一片一片的平面加工图案(称为切片)，再采用加工设备以逐层堆积的方式自下而上加工每个片层，在加工过程中片层之间会通过光或热等物理作用实时粘接起来从而形成真实的三维物体。3D打印技术可以在一台设备上快速精密地制造出任意复杂形状和结构的零部件，优化了加工流程，缩短了制造周期短，节省了材料，解放了加工技术对设计者的限制。将3d打印与磁性器件制造结合，可有效解决NdFeB可塑性差的问题，为传统磁性器件性能优化及新型磁性器件的开发提供重要的技术支撑。美国橡树岭实验室的LiNing及奥地利固体物理所C.Huber等采用熔丝沉积(FDM)的方法制备磁性器件，但这种3d打印方式制备的磁体为粘结磁体，因采用较多的高分子材料作为粘接剂，磁性功能相被稀释导致磁体的磁性能不高。相比粘结磁体，烧结磁体具有更高的综合磁性能。因此研究如何将3d打印技术与烧结磁体技术结合起来，具有重要的理论研究意义和巨大的经济价值。CN109676125A公开了一种3D打印制备烧结钕铁硼磁体的方法，该专利技术通过在钕铁硼磁粉的表面包覆一层无氧的有机物薄膜，防止磁粉在3D打印过程中氧化，同时采用液态光敏树脂制备打印浆料，打印过程中通过超声震动、紫外光固化和充磁系统，实现磁体光固化快速成型，氧化少，具有良好的磁性能。但该专利技术采用的是两步法，操作繁琐，前期需要在在氩气气氛下包覆一层无机膜，膜层厚度控制工艺稳定性较差。粘结主要靠光敏树脂，光敏树脂含量较高，不易于后期脱除，残余碳会恶化磁体性能。
技术实现思路
本专利技术旨在解决永磁体在无氧烧结过程中有机粘接剂脱除困难的问题，提供了一种以聚乙烯醇缩丁醛为主要粘接剂的浆料配方，通过打印浆料的配方优化，可以同时解决直写打印的精度问题和永磁体后处理过程中有机粘接剂难脱除的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，包括如下步骤：(1)在60～150℃的溶剂中加入增塑剂、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素，搅拌至混合物呈透明的胶态物质；(2)将步骤(1)的胶态物质冷却，加入分散剂，继续搅拌至均匀半透明胶态物质；(3)将永磁粉、光敏树脂与步骤(2)得到的半透明胶态物质混合，形成永磁浆料；(4)将所述永磁浆料加入直写打印机，在紫外灯的照射下，按照所需形状的模型程序打印坯体，待坯体干燥定型后，进行低温排胶和高温烧结，获得近终成型的坯体；再经后处理，最终获得永磁体。所述的后处理指本领域技术人员对打印后坯体常规的后处理，包括对坯体进行机械打磨、表面防护、充磁等操作。现有技术中永磁体在无氧烧结过程中常存在有机粘接剂脱除困难的情况，特别是光敏树脂添加量高的浆料。本专利技术以PVB、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素为粘接剂，与增塑剂和分散剂一同溶解在溶剂中，控制温度并搅拌形成胶粘剂，再采用研磨的方式将永磁粉与胶粘剂混合均匀形成永磁浆料。再添加适量的光敏树脂改善浆料的流动性，通过直写打印进行成型。打印过程中，采用紫外光进行固化，经低温脱脂和高温烧结后，形成接近最终形状的磁体，后处理加工获得最终所需的永磁体。本专利技术利用乙基纤维素粘度大的特点，形成骨架，防止打印件坍塌，利用PVB粘度适中，流动性好的优势，保证浆料的顺利挤出，防止堵住喷头，利用聚乙烯吡咯烷酮具有半粘结剂，半塑性剂的特性，可以使浆料挤出后快速定型固化，确保打印精度。同时尽量降低光敏树脂的含量，来解决光敏树脂导致的后期难脱除的问题。所述的溶剂为乙醇、1-4丁内酯、松油醇、丁基卡必醇中任一种或多种的混合物。优选地，所述溶剂包括5～65wt％乙醇、5～45wt％的1-4丁内酯和5～45wt％松油醇。其中乙醇是所用粘结剂的强溶剂，可以保证粘结剂充分溶解；松油醇沸点高，保证打印过程中浆料不会干燥，也利于长期储存；1-4丁内酯主要用于调整体系的沸点，整个体系沸点太高，后期干燥时间过长，不利于定型固化，干燥时间太短，操作时间有限，也容易堵喷头。所述增塑剂为平均分子量400～4000的聚乙二醇；分子量太高的增塑剂会导致浆料粘度太大，不适合打印，分子量太小的增塑剂会致使浆料的塑性不明显，打印不成型。经专利技术人多次实验尝试优化，所述增塑剂的添加量为所述溶剂的5～10wt％。该添加量下，所得到打印浆料粘度最佳，塑性好，打印得到永磁体性能更好。本专利技术中粘结剂的添加量及各粘接剂之间的配比对打印得到的永磁体性能起到至关重要的影响，粘接剂添加量太高，混合后得到的打印浆料太稠，打印时会堵住喷头；粘接剂添加量不足，混合后的打印浆料太稀，打印成品容易塌陷，精度无法保证。所述的聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素的添加量分别为所述溶剂的0.1～5wt％、0.1～5wt％和0.1～10wt％。各组分在该添加量范围内，所得到的打印浆料粘度合适，打印成品精度高，成型好。优选地，所述的聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素的质量比为1～3：0.5～2：2～4。各粘接剂在该配比下，乙基纤维素起到良好的骨架支撑作用，防止打印件坍塌，PVB在该添加比例下，获得的浆料粘度适中，流动性好；聚乙烯吡咯烷酮在该添加比例下，获得的打印成品精度高。经实验鉴定，三种粘接剂在该配比下，所得到的打印浆料粘度好，打印成品精度高，成型好。进一步优选地，所述的聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素的质量比为2：1：3。该质量比下的打印浆料是经专利技术人多次试验证实效果最佳的。所述的分散剂为司盘20、司盘40、司盘60、司盘65、司盘80、司盘85中的一种或几种的组合；加入分散剂对胶态物质中的微细颗粒进行表面润湿，降低颗粒间的表面能，提高增塑剂和粘接剂在溶剂中的分散作用。所述分散剂的添加量为所述溶剂的1～9wt％。在步骤(3)中，将步骤(2)得到的所述半透明胶态物质与永磁粉进行混合，得到的永磁浆料中包括60～9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)在60～150℃的溶剂中加入增塑剂、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素，搅拌至混合物呈透明的胶态物质；/n(2)将步骤(1)的胶态物质冷却，加入分散剂，继续搅拌至均匀的半透明胶态物质；/n(3)将永磁粉、光敏树脂与步骤(2)得到的半透明胶态物质混合，形成永磁浆料；/n(4)将所述永磁浆料加入直写打印机，在紫外灯的照射下，按照所需形状的模型程序打印坯体，待坯体干燥定型后，进行低温排胶和高温烧结，获得近终成型的坯体；再经后处理，最终获得永磁体。/n

【技术特征摘要】
1.一种光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在60～150℃的溶剂中加入增塑剂、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮和乙基纤维素，搅拌至混合物呈透明的胶态物质；
(2)将步骤(1)的胶态物质冷却，加入分散剂，继续搅拌至均匀的半透明胶态物质；
(3)将永磁粉、光敏树脂与步骤(2)得到的半透明胶态物质混合，形成永磁浆料；
(4)将所述永磁浆料加入直写打印机，在紫外灯的照射下，按照所需形状的模型程序打印坯体，待坯体干燥定型后，进行低温排胶和高温烧结，获得近终成型的坯体；再经后处理，最终获得永磁体。


2.根据权利要求1所述的光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，其特征在于，所述溶剂为乙醇、1-4丁内酯、松油醇、丁基卡必醇中任一种或多种的混合物。


3.根据权利要求1或2所述的光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，其特征在于，所述溶剂以100wt％计，包括5～65wt％乙醇、5～45wt％的1-4丁内酯和5～45wt％松油醇。


4.根据权利要求1所述的光固化辅助直写3D打印制备永磁体的方法，其特征在于，所述增塑剂为平均分子量400～4000的聚乙二醇；所述增塑剂的添加量为所述溶剂的5～10wt％。

【专利技术属性】
技术研发人员：何健雄，李志祥，孙爱华，游良涛，刘丰华，高青青，许高杰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33