Des chercheurs développent une nouvelle méthode d'impression 3D de noyaux magnétiques pour machines électriques

Des chercheurs de l'Université de technologie de Tallinn et de l'Université estonienne des sciences de la vie étudient l'utilisation de la technologie d'impression 3D pour produire des noyaux magnétiques doux.

Les noyaux magnétiques sont des morceaux de matériau magnétique à haute perméabilité. Ils sont couramment utilisés pour guider et diriger les champs magnétiques dans une grande variété de systèmes et de machines électriques, y compris les électroaimants, les transformateurs, les moteurs électriques, les générateurs, les inducteurs et autres assemblages magnétiques.

Jusqu'à présent, l'impression 3D de noyaux magnétiques doux a été un défi majeur en raison des difficultés à préserver l'efficacité du noyau. L'équipe de recherche a maintenant proposé un flux de travail complet de fabrication additive basé sur le laser qui, selon elle, peut donner des propriétés magnétiques supérieures aux composites magnétiques doux.

Impression 3D de matériaux électromagnétiques

La fabrication additive de métaux à propriétés électromagnétiques est un domaine de recherche émergent. La communauté de recherche sur les machines électriques commence maintenant à développer et à intégrer ses propres composants imprimés en 3D dans des systèmes, citant la liberté de conception comme un énorme avantage pour l'innovation.

Par exemple, l'impression 3D de pièces fonctionnelles complexes dotées de propriétés magnétiques et électriques pourrait ouvrir la voie à des machines personnalisées avec des moteurs, des actionneurs, des circuits électriques et des boîtes de vitesses intégrés. De telles machines pourraient être produites dans des installations de fabrication numérique avec un minimum d'assemblage, de post-traitement et de déchets de matériaux, avec de nombreux composants mobiles imprimés en 3D.

Malheureusement, l'impression 3D de grandes sections de machines électriques complexes n'est toujours pas une réalité en raison de plusieurs facteurs. Ces appareils ont souvent des exigences difficiles telles que de petits entrefers pour une densité de puissance améliorée, sans parler du besoin d'assemblages multi-matériaux.

En tant que tel, la recherche s'est jusqu'à présent principalement concentrée sur des pièces plus "basiques" telles que les rotors magnétiques doux imprimés en 3D, les bobines de cuivre et les guides de chaleur en alumine. Les noyaux magnétiques doux présentent également un intérêt considérable, mais la minimisation de la perte de noyaux dans le processus d'impression 3D reste un obstacle à franchir.

Un workflow d'impression 3D optimisé

Dans le but de présenter un flux de travail d'impression 3D optimisé pour les noyaux magnétiques, les chercheurs ont déterminé les meilleurs paramètres de processus pour l'application, notamment la puissance du laser, la vitesse de numérisation, l'espacement des hachures et l'épaisseur de la couche.

L'équipe a également examiné les effets des paramètres de recuit pour obtenir des pertes CC minimales, des pertes quasi statiques, par hystérésis et la perméabilité magnétique la plus élevée. La température de recuit optimale a été déterminée à 1 200 °C, ce qui a donné la densité relative la plus élevée de 99,86 %, la rugosité de surface la plus faible de 0,041 mm, des pertes d'hystérésis minimales de 0,8 W/kg et une limite d'élasticité ultime de 420 MPa.

En fin de compte, les chercheurs estoniens ont montré que la fabrication additive métallique à base de laser est une méthode viable d'impression 3D de matériaux de noyau magnétique pour les applications de machines électriques.

En ce qui concerne les travaux futurs, l'équipe a l'intention de caractériser les microstructures des pièces pour mieux comprendre la taille et l'orientation des grains, ainsi que leurs effets sur la perméabilité et la résistance magnétiques. Les chercheurs étudieront également plus avant les moyens d'optimiser les géométries des noyaux imprimés en 3D pour améliorer les performances.

De plus amples détails sur l'étude peuvent être trouvés dans l'article intitulé "Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process for Electrical Machine Applications".

La combinaison de l'impression 3D et du magnétisme permet une multitude d'applications nouvelles, au-delà des seules machines électriques. Plus tôt cette année, une équipe internationale de scientifiques dirigée par le laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge a utilisé l'impression 3D pour développer un ensemble de nanoaimants microscopiques. Créés à l'aide d'un processus d'impression 3D personnalisé, les nanoaimants ont la forme d'une double hélice inspirée de l'ADN et sont prometteurs dans des domaines tels que le piégeage des particules, les techniques d'imagerie et les matériaux intelligents.

Ailleurs, des chercheurs de l'IMDEA Nanoscience Institute, un centre de recherche interdisciplinaire en Espagne, ont récemment développé une nouvelle méthode d'impression 3D d'aimants à partir de matériaux recyclés. Les travaux ont été menés en réponse aux problèmes de chaîne d'approvisionnement causés par la pandémie de COVID-19, qui a laissé le secteur manufacturier à court de nombreux matériaux, y compris ceux nécessaires à la fabrication d'aimants.

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L'image en vedette montre une inductance en ferrite comprenant un noyau magnétique entouré d'une bobine de cuivre. Image via Jurgis Mankauskas.

Kubi Sertoglu est titulaire d'un diplôme en génie mécanique, combinant une affinité pour l'écriture avec une formation technique pour fournir les dernières nouvelles et critiques en matière de fabrication additive.