用3D印表機來製作永久磁鐵

■美國橡樹嶺國家實驗室的科學家成功開發出利用3D列印來製作永久磁鐵的方法。

©Oak Ridge National Laboratory
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撰文|陳勁豪

永久磁鐵在我們的日常生活中有許多的用處。除了一般常見的小學自然課中會用到的棒狀或是馬蹄型磁鐵外,指南針也是常見的用途。此外,永久磁鐵也被廣泛應用在硬碟、喇叭,還有馬達中。

工業上應用最廣的永久磁鐵是釹鐵硼磁鐵 (NdFeB),由釹鐵硼磁粉、環氧樹脂與塑膠透過壓製或注塑而成。也可以把釹鐵硼磁燒製成塊材後進行加工,做成所需要的各種形狀。方法雖然是目前最常見的加工方式,但是卻有著相當明顯的問題。最關鍵的部分是材料浪費的問題。把磁鐵塊材加工成所需要的形狀時,幾乎確定會浪費掉部份材料。耗損的部份隨著所需的形狀而定,往往可以達到 10-20% 的耗損量。這些耗損累積起來也是可觀的數目。更嚴重的問題是磁鐵中所用到的一些稀土金屬,例如釹金屬,開採不易,因此成本居高不下。大量的耗損就等於是浪費資源,也是浪費金錢。因此從實用的角度上,開發新永久磁鐵的製造方式有其迫切需求。

美國橡樹嶺國家實驗室的科學家開發了一種新的方法。簡單的說,他們利用橡樹嶺國家實驗室的 Big Area Additive Manufacturing (BAAM) machine (暫譯為大面積附著性製造機),以類似 3D 列印的方式來製造永久磁鐵。他們把65%的釹鐵硼磁粉與35%的耐綸混合後,融化壓製,便可以利用 3D 列印的方式來製作各種形狀的永久磁鐵。

用這種方法來製作永久磁鐵有許多好處,一是幾乎沒有形狀限制,只要印得出來都可以。二是幾乎沒有多餘的材料耗損,不會浪費材料。但是更重要的是用這種方式做出來的磁鐵,磁場特性與用傳統方法做出來的磁鐵相比,基本上一致,甚至有更好的表現。

這種新式的製造永久磁鐵的方式如果可以大規模量產,將可能可以大幅突破許多受限於目前磁鐵加工方式而造成的瓶頸。而這種幾乎不受限的磁鐵形狀,對需要少量生產的特殊磁鐵來說,也有可能是相當實用的解決方法。

原始論文:
Big Area Additive Manufacturing of High Performance Bonded NdFeB Magnets
Scientific Reports 6, Article number: 36212 (2016) doi:10.1038/srep36212

相關報導:Oak Ridge National Laboratory 2016/11/01: 3D-printed permanent magnets outperform conventional versions, conserve rare materials
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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