Pesquisadores desenvolvem novo método de impressão 3D de núcleos magnéticos para máquinas elétricas

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Tallinn e da Universidade de Ciências da Vida da Estônia estão investigando o uso da tecnologia de impressão 3D para produzir núcleos magnéticos macios.

Núcleos magnéticos são pedaços de material magnético com alta permeabilidade. Eles são comumente usados ​​para guiar e direcionar campos magnéticos em uma ampla variedade de sistemas e máquinas elétricas, incluindo eletroímãs, transformadores, motores elétricos, geradores, indutores e outros conjuntos magnéticos.

Até agora, a impressão 3D de núcleos magnéticos macios tem sido um grande desafio devido às dificuldades em preservar a eficiência do núcleo. A equipe de pesquisa propôs agora um fluxo de trabalho abrangente de manufatura aditiva baseada em laser que, segundo eles, pode produzir propriedades magnéticas superiores a compósitos magnéticos macios.

materiais eletromagnéticos de impressão 3D

A fabricação aditiva de metais com propriedades eletromagnéticas é um campo de pesquisa emergente. A comunidade de pesquisa de máquinas elétricas agora está começando a desenvolver e integrar seus próprios componentes impressos em 3D em sistemas, citando a liberdade de design como um grande benefício para a inovação.

Por exemplo, a impressão 3D de peças complexas funcionais com propriedades magnéticas e elétricas pode abrir caminho para máquinas personalizadas com motores, atuadores, circuitos elétricos e caixas de engrenagens incorporados. Essas máquinas podem ser produzidas em instalações de fabricação digital com montagem mínima, pós-processamento e desperdício de material, com muitos dos componentes móveis impressos em 3D.

Infelizmente, a impressão 3D de grandes seções de máquinas elétricas complexas ainda não é uma realidade devido a vários fatores. Esses dispositivos geralmente têm requisitos desafiadores, como pequenos espaços de ar para densidade de potência aprimorada, sem mencionar a necessidade de montagens multimateriais.

Como tal, a pesquisa até agora se concentrou principalmente em peças mais "básicas", como rotores magnéticos macios impressos em 3D, bobinas de cobre e guias de calor de alumina. Núcleos magnéticos macios também são de interesse significativo, mas minimizar a perda do núcleo no processo de impressão 3D é um obstáculo ainda a ser superado.

Um fluxo de trabalho de impressão 3D otimizado

Com o objetivo de apresentar um fluxo de trabalho de impressão 3D otimizado para núcleos magnéticos, os pesquisadores determinaram os melhores parâmetros de processo para a aplicação, incluindo potência do laser, velocidade de digitalização, espaçamento de hachura e espessura da camada.

A equipe também analisou os efeitos dos parâmetros de recozimento para obter perdas DC mínimas, perdas quase estáticas, por histerese e a maior permeabilidade magnética. A temperatura ideal de recozimento foi determinada em 1200°C, o que resultou na maior densidade relativa de 99,86%, a menor rugosidade da superfície de 0,041 mm, perdas mínimas de histerese de 0,8 W/kg e resistência ao escoamento final de 420 MPa.

Em última análise, os pesquisadores da Estônia mostraram que a manufatura aditiva de metal baseada em laser é um método viável de materiais de núcleo magnético de impressão 3D para aplicações em máquinas elétricas.

No que diz respeito ao trabalho futuro, a equipe pretende caracterizar as microestruturas das peças para obter informações sobre o tamanho e a orientação dos grãos, bem como seus efeitos na permeabilidade e resistência magnética. Os pesquisadores também investigarão maneiras de otimizar as geometrias dos núcleos impressos em 3D para melhorar o desempenho.

Mais detalhes do estudo podem ser encontrados no artigo intitulado 'Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process for Electrical Machine Applications'.

A combinação de impressão 3D e magnetismo permite uma série de novas aplicações, além de apenas máquinas elétricas. No início deste ano, uma equipe internacional de cientistas liderada pelo Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge usou a impressão 3D para desenvolver um conjunto de nanoímãs microscópicos. Criados usando um processo de impressão 3D personalizado, os nanoímãs têm a forma de uma dupla hélice inspirada no DNA e são promissores em domínios como captura de partículas, técnicas de imagem e materiais inteligentes.