Investigadores desarrollan nuevo método de impresión 3D de núcleos magnéticos para máquinas eléctricas

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Tallin y la Universidad de Ciencias de la Vida de Estonia están investigando el uso de la tecnología de impresión 3D para producir núcleos magnéticos blandos.

Los núcleos magnéticos son piezas de material magnético con alta permeabilidad. Se utilizan comúnmente para guiar y dirigir campos magnéticos en una amplia variedad de sistemas y máquinas eléctricas, incluidos electroimanes, transformadores, motores eléctricos, generadores, inductores y otros conjuntos magnéticos.

Hasta ahora, la impresión 3D de núcleos magnéticos blandos ha sido un gran desafío debido a las dificultades para preservar la eficiencia del núcleo. El equipo de investigación ha propuesto ahora un completo flujo de trabajo de fabricación aditiva basado en láser que, según afirman, puede producir propiedades magnéticas superiores a las de los compuestos magnéticos blandos.

Impresión 3D de materiales electromagnéticos

La fabricación aditiva de metales con propiedades electromagnéticas es un campo de investigación emergente. La comunidad de investigación de máquinas eléctricas ahora está comenzando a desarrollar e integrar sus propios componentes impresos en 3D en los sistemas, citando la libertad de diseño como un gran beneficio para la innovación.

Por ejemplo, la impresión en 3D de piezas complejas funcionales con propiedades magnéticas y eléctricas podría allanar el camino para máquinas personalizadas con motores, actuadores, circuitos eléctricos y cajas de cambios integrados. Dichas máquinas podrían producirse en instalaciones de fabricación digital con un mínimo de ensamblaje, posprocesamiento y desperdicio de material, con muchos de los componentes móviles impresos en 3D.

Desafortunadamente, la impresión 3D de grandes secciones de máquinas eléctricas complejas aún no es una realidad debido a varios factores. Estos dispositivos a menudo tienen requisitos desafiantes, como pequeños espacios de aire para mejorar la densidad de potencia, sin mencionar la necesidad de ensamblajes de múltiples materiales.

Como tal, la investigación hasta ahora se ha centrado principalmente en piezas más "básicas", como rotores magnéticos blandos impresos en 3D, bobinas de cobre y guías de calor de alúmina. Los núcleos magnéticos blandos también son de gran interés, pero minimizar la pérdida de núcleos en el proceso de impresión 3D es un obstáculo aún por superar.

Un flujo de trabajo de impresión 3D optimizado

Con el objetivo de mostrar un flujo de trabajo de impresión 3D optimizado para núcleos magnéticos, los investigadores determinaron los mejores parámetros de proceso para la aplicación, incluida la potencia del láser, la velocidad de escaneo, el espacio entre sombreados y el grosor de la capa.

El equipo también investigó los efectos de los parámetros de recocido para lograr pérdidas de CC mínimas, cuasi estáticas, pérdidas por histéresis y la mayor permeabilidad magnética. Se determinó que la temperatura de recocido óptima era de 1200 °C, lo que resultó en la densidad relativa más alta de 99,86 %, la rugosidad superficial más baja de 0,041 mm, pérdidas mínimas por histéresis de 0,8 W/kg y un límite elástico máximo de 420 MPa.

En última instancia, los investigadores estonios han demostrado que la fabricación aditiva de metal basada en láser es un método viable de impresión 3D de materiales de núcleo magnético para aplicaciones de máquinas eléctricas.

En lo que respecta al trabajo futuro, el equipo tiene la intención de caracterizar las microestructuras de las piezas para obtener información sobre el tamaño y la orientación del grano, así como sus efectos sobre la permeabilidad y la fuerza magnéticas. Los investigadores también seguirán investigando formas de optimizar las geometrías de los núcleos impresos en 3D para mejorar el rendimiento.

Se pueden encontrar más detalles del estudio en el documento titulado 'Diseño y proceso de núcleo magnético fabricado aditivamente por láser para aplicaciones de máquinas eléctricas'.

La combinación de impresión 3D y magnetismo permite una gran cantidad de aplicaciones novedosas, más allá de las máquinas eléctricas. A principios de este año, un equipo internacional de científicos dirigido por el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge utilizó la impresión 3D para desarrollar un conjunto de nanoimanes microscópicos. Creados mediante un proceso de impresión 3D personalizado, los nanoimanes tienen la forma de una doble hélice inspirada en el ADN y son prometedores en dominios como la captura de partículas, las técnicas de imagen y los materiales inteligentes.

Por otro lado, investigadores del Instituto IMDEA Nanociencia, un centro de investigación interdisciplinario en España, desarrollaron recientemente un nuevo método de impresión 3D de imanes utilizando materiales reciclados. El trabajo se llevó a cabo como una respuesta a los problemas de la cadena de suministro causados ​​por la pandemia de COVID-19, que dejó al sector manufacturero sin muchos materiales, incluidos los necesarios para fabricar imanes.

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La imagen destacada muestra un inductor de ferrita que comprende un núcleo magnético rodeado por una bobina de cobre. Imagen vía Jurgis Mankauskas.

Kubi Sertoglu es licenciado en Ingeniería Mecánica y combina una afinidad por la escritura con una formación técnica para ofrecer las últimas noticias y reseñas sobre fabricación aditiva.