ENGINEERINGNET.BE - Permanente magneten worden in veel sectoren gebruikt en wekken veel belangstelling bij bedrijven, onder meer de lucht- en ruimtevaart, automotive, transport, spoor, defensie, en industriële automatisering.
Harde magneten behouden hun magnetisatie en zijn bron van een magnetisch veld. Bij hogere temperaturen nemen de magnetische prestaties van NdFeB-magneten af. Bij een te hoge temperatuur kan bovendien onomkeerbaar verlies van magnetisatie optreden. Zachte magnetische materialen worden gemakkelijk gemagnetiseerd in een extern magnetisch veld. Wanneer dat veld wordt weggenomen, kan er restmagnetisatie overblijven.
Vandaag komen de sterkste gesinterde magneten in een beperkt aantal massa geproduceerde vormen op de markt. “Op technisch vlak kan er nog heel wat bijgesleuteld worden”, zegt elektromechanisch ingenieur Gorji. Ze is ervan overtuigd dat creatievere en complexere magneetvormen tal van problemen kunnen oplossen. Maatwerk, dus.
HardMagnet3D
Het 3D-printen van magneten vraagt om expertise in materialen, magnetisme, additieve productie en magnetische toepassingen. Die brengt Sirris samen in team. Cruciaal is de vormvrijheid die de 3D-printtechnologie mogelijk maakt. “Door de magneetvorm af te stemmen op de toepassing, kunnen we de prestaties van het volledige systeem verbeteren”, zegt Gorji. In elektrische machines kunnen geoptimaliseerde magneetvormen bijvoorbeeld helpen om de verdeling van de magnetische flux in de luchtspleet te sturen, met als doel ongewenste harmonischen of het coggingkoppel te verminderen. Die vormvrijheid biedt ook andere voordelen.
Binnen het HardMagnet3D-project wordt een demonstratiemodel van een elektrische machine met axiale flux gebouwd, met magneten met complexe vormen. Die vormen zijn ontworpen om koelkanalen in de rotor te creëren. Zo helpen ze temperatuurstijgingen te beperken en de magnetische prestaties te behouden, wat bijdraagt aan een efficiënte werking van de machine.
Gesinterde NdFeB-magneten zijn de sterkste commercieel beschikbare permanente magneten en worden voornamelijk in China geproduceerd. Binnen het HardMagnet3D-project richt Sirris zich op gebonden NdFeB-magneten. Net als bij de productie van gesinterde magneten wil men de magnetische deeltjes tijdens het productieproces uitlijnen. Deze in-situ-uitlijning helpt de magnetische eigenschappen van het geprinte onderdeel te optimaliseren. Na het 3D-printen is een aparte ex-situ-magnetisatiestap nodig om het onderdeel volledig te magnetiseren. Dat gebeurt met een industrieel magnetiseerapparaat.
Gebonden magneten
Gebonden NdFeB-magneten bestaan uit magneetpoeder dat met een kunststof of rubber is ‘gebonden’. Die zijn ‘zwakker’ dan gesinterde NdFeB-magneten, die zonder zo’n bindmiddel worden vervaardigd en daardoor een hoger aandeel magnetisch materiaal bevatten. “We probeerden magnetische partikels in een filament te krijgen. We wisten op basis van eerder opgedane kennis, hoe we dat konden verbeteren, met welke partikels en welke percentages”, rekent teamlid Guido Heunen die het printproces in het lab nog wil verbeteren. In Charleroi loopt onderzoek naar het extruderen van een 1,75 mm dik filament met kunststof binder. Het basismateriaal bestaat uit poeder. Sirris’ FDM-filamentprinter (Fused Deposition Modeling) heeft een printtafel van 30 cm bij 30 cm.
“Hoogwaardige gesinterde NdFeB-magneten hebben een remanente magnetische fluxdichtheid van ongeveer 1,4 T. Met onze gebonden NdFeB-magneten hebben we tot nu toe ongeveer een derde van die waarde bereikt, zonder de magnetische deeltjes tijdens het printen uit te lijnen.”
Het project
Het HardMagnet3D-project kadert in CORNET (Collective Research Network) dat collectieve onderzoekprojecten voor KMO’s over de landsgrenzen heen stimuleert. Partners zijn o.a. het Duitse FEM Onderzoeksinstituut en Materia Nova in België dat het magneetpoeder bekleedt. Sirris coördineert. De middelen komen van de regio’s: Wallonie Recherche SPW en het Duitse DLR. Typisch is de ‘bottom up’- benadering. Het onderzoek gebeurt op vraag van de deelnemende KMO’s. Die ‘gebruikersgroep’ geeft de researchers feedback en richt het project met hun concrete ‘uitdagingen’.
Magneetpoeder
Alles begint echter met ‘magneetpoeder’. Aan het juiste poeder geraken is een flinke uitdaging voor de researchers. ’Virgin’ magnetisch poeder komt uit China of het is recuperatiemateriaal. China stelde een embargo in op ‘rollend poeder’ en er is dus weinig te vinden op de markt en de kwaliteiten verschillen. Neodymium kan worden teruggewonnen uit magneten in tal van toestellen en onderdelen die eindeleven zijn. Generatoren van windturbines en harde schijven zijn daar slechts twee voorbeelden van. “We bouwen aan een ecosysteem dat de volledige magneetwaardeketen omvat, zowel in België als in de rest van Europa”, zegt Gorji. Delen van de puzzel zijn al gelegd, ook in België. Zo is er al een partner voor de magnetisatie en de karakterisering van de magneten. “Voor de levering van poeder uit gerecycleerde magneten hebben we in België nog geen geschikte partner gevonden.”
Electron Beam Melting
Binnen het HardMagnet3D-project hanteren onderzoekers bij FEM Duitsland de SLM (Selective Laser Melting) poederbedtechnologie. Sirris in Seraing zet met een nieuwe EBM (Electron Beam Melting) 3D-printer pure Neodymium Ferro Boor (NdFeB) neer op een printtafel van 10 cm diameter. Zonder bindmaterialen. De magneet wordt er laag per laag opgebouwd met een gedemagnetiseerde legering van NdFeB-poeder. Net als bij gebonden magneten die met Fused Deposition Modelling (FDM) -gesmolten filamentmateriaal- worden gemaakt, is na het 3D-printen een aparte ex-situ-magnetisatiestap nodig.
Aantrekkelijk én uitdagend
Magneten zijn een hot topic. Ze zijn belangrijk in onze technologische maatschappij. De bevoorradingsketen is uitdagend. Meer dan 90% komt uit China. Die houdt er de knip op en zwaait met exportbeperkingen van de nodige zeldzame aardmetalen als deel van zijn geopolitiek. Europa’s afhankelijkheid kan ook alleen maar groter worden met de energietransitie. De vraag blijft toenemen. Magneten steken in sensoren, elektrische motoren -lineaire motoren, pompen, elektrische voertuigen, windturbines, tomografen, MRI-scanners, harde schijven, luidsprekers, koptelefoons, lasers,…
Neodymium Ferro Boor-magneten zijn de krachtigste permanente magneten. Veelal gaat het om een legering die ook 2 tot 11% dysprosium bevat. Dysprosium trekt de maximale werkingstemperatuur van de magneet op en verhoogt de weerstand tegen demagnetisatie.
De vraag naar zeldzame aardmetalen, waaronder neodymium (Nd), zou tegen 2030 nog met 600% groeien. De EU investeert in onderzoek om die afhankelijkheid te verminderen. De Europese Critical Raw Materials Act (2024) lijst 34 kritische grondstoffen en 17 strategische grondstoffen waaronder aluminium, koper, magnesium en titanium tot lithium, kobalt, nikkel, gallium, en zeldzame aardmetalen zoals dysprosium en neodymium. Tegen 2030 wil de EU voorzien in minstens 10% van de ontginning voor het jaarlijkse eigen verbruik, in minstens 40% van de verwerking voor eigen verbruik, in minstens 25% van de recyclage van het eigen verbruik. Bovendien wil het dat hoogstens nog 65% van het jaarlijkse eigen verbruik nog uit één enkel derde land wordt gehaald.
