Title: 3D printed polymer-bonded NdFeB magnets for a tailored magnetic field
Other Titles: 3D-gedruckte, polymergebundene NdFeB-Magnete für ein maßgeschneidertes Magnetfeld
Language: English
Authors: Huber, Christian 
Qualification level: Doctoral
Keywords: additive manufacturing; 3d printing; NdFeB; magnets
Advisor: Süss, Dieter 
Issue Date: 2017
Number of Pages: 137
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Additive Fertigung ist heute der de-facto Standard in der Industrieproduktion. Der "industriellen Revolution aus dem Drucker" wird enormes Potenzial bescheinigt. Dabei können Werkstücke ohne der Hilfe von Werkzeugen direkt aus Halbzeugen wie in Pulver oder Stangenform hergestellt werden. Eine große Zahl an unterschiedlichen additive Fertigungsmethoden ist zur Zeit am Markt verfügbar. Doch bis dato ist keine additive Fertigung von magnetischen Materialien möglich. Obwohl ein großes Marktpotential darin besteht, Permanentmagnete so zu designen, damit sie ein spezielles magnetisches Feld erzeugen. Ziel dieser Dissertation ist es, polymer gebundene Selten Erden (NdFeB) Materialien mittels eines handelsüblichen 3D-Drucker zu verarbeiten. Ein entschiedener Vorteil unseres Druckers ist die Möglichkeit zwei unterschiedliche Materialien zu mischen. Die Druckereinstellung und das verwendete Matrixmaterial beeinflussen entscheidend die Druckqualität. In dieser Arbeit wird ein kommerziell erhältliches magnetisches isotropes Pulver (MQP-S-11-9 von Magnequench Corporation) in einer PA11/PA12 Matrix verwendet. Das Material wird – für den 3D-Drucker übliche Stangenform – extrudiert. Detaillierte Messungen der magnetischen und mechanischen Eigenschaften werden durchgeführt und bewertet. Um das magnetische Feld der gedruckten Magneten zu vermessen wird der Drucker zu einem 3D Magnetfeld Messsystem aufgerüstet. Mittels eines speziellen Kalibrier-Algorithmus entfällt das adjustieren des 3D Hall Sensors. Ein weiteres Upgrade ermöglicht das Erzeugen von magnetische Pixeln ("maxels") auf die Oberfläche des gedruckten Objektes. Um Magnete mit einer speziellen Magnetfeldverteilung erzeugen zu können, werden spezielle Simulationswerkzeuge vorgestellt. Mittels Finite-Elemente-Methoden und eines Inversen Streufeldcodes kann die Dichte des Magnetmaterials berechnet werden. Zusätzlich wird ein Topologieoptimierung vorgestellt mit welcher die Geometrie des Magneten berechnet werden kann. Detaillierte Tests dieser Methoden zeigt eine gute Übereinstimmung mit analytischen Lösungen. Verschiedenste Anwendungen aus dem Bereich der Messtechnik zeigen die Effektivität des 3D-Druckes von polymer gebunden Magneten. Mittels den Simulationswerkzeugen werden spezielle Magnetgeometrien berechnet, anschließend gedruckt und vermessen. Diese Arbeit beschreibt daher den kompletten Entwicklungsablauf von der Entwicklung der 3D-Drucktechnologie über die speziellen Simulationstools bis zur Anwendung der Magneten.

Additive manufacturing has become the de-facto standard in industrial production. The "industrial revolution out of the printer" is seen as having enormous potential. Workpieces can be produced directly from form-neutral products such as powders or filaments without the aid of tools. A large number of different additive manufacturing methods are currently available on the market. Up to now, no additive manufacturing of magnetic materials has been possible. Although, there is a big market potential for special designed permanent magnets that generate a special magnetic field. The aim of this dissertation is to process polymer-bounded rare-earth (NdFeB) materials by using a commercial 3D printer. An advantage of our printer is the possibility to mix two different materials. Printer settings and matrix material properties have a decisive influence on the print quality. This work uses a commercially available magnetic isotropic powder (MQP-S-11-9 from Magnequench Corporation) in a PA11/PA12 matrix. The material will be extruded to filaments, which is the common source-material for 3D printers. Detailed measurements of the magnetic and mechanical properties are carried out and evaluated. In order to measure the magnetic field of the printed magnets, the printer is upgraded to a 3D magnetic field mapping system. A special calibration algorithm elaborate an adjustment of the 3D Hall sensor. By means of a further upgrade, magnetic pixels ("maxels"') can be written on the surface of the printed object. In order to produce magnets with a special magnetic field distribution, special simulation tools are presented. The density of the magnetic material can be calculated using a finite element method and an inverse stray field code. In addition, a topology optimization procedure is presented to calculate the geometry of the magnet for a predefined magnetic field distribution. Detailed tests of these methods show a good agreement with analytical solutions. Various applications in measurement technology show the effectiveness of 3D printing of polymer bonded magnets. Using the simulation tools, special magnet geometries are calculated, printed and measured. Therefore, this work describes the complete development process from the development of 3D printing technology to special simulation tools and the application of such magnets.
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2017.52183
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16829
DOI: 10.34726/hss.2017.52183
Library ID: AC14555566
Organisation: E138 - Institut für Festkörperphysik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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