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Est-il possible d’imprimer des aimants en 3D?

Les possibilités de l’impression 3D semblent continuer à s’étendre. Dans cet article, nous examinons comment la technologie d’impression 3D peut être exploitée pour créer des aimants. En plus d’être géniaux, les aimants jouent un rôle énorme dans de nombreuses applications commerciales et industrielles. Ils sont également difficiles et longs à réaliser.

Avec les capacités de l’impression 3D, pourrait-elle être la technologie qui inaugure des moyens nouveaux et plus pratiques de créer des aimants? Pour répondre à cette question, nous devrons nous plonger dans le concept du fonctionnement des aimants et tenter de le concilier avec le fonctionnement des imprimantes 3D.

Qu’est-ce qui rend les aimants «magnétiques»?

Avant même de pouvoir commencer à explorer la possibilité de créer des aimants grâce à l’impression 3D, nous devons comprendre ce que signifie les aimants qui les rendent magnétiques. Compte tenu de la fréquence des aimants (vous en avez probablement plus d’une douzaine sur votre réfrigérateur seul), il est ironique de constater à quel point la connaissance de leur fonctionnement est très rare.

Au cœur même du magnétisme se trouve l’idée que les électrons de chaque élément ont un «spin» intrinsèque. Littéralement, cela signifie que les électrons tournent autour d’un axe sous l’effet de la répulsion et de l’attraction d’un électron avec des protons et d’autres électrons semblables. De la même manière que le courant circulant à travers une bobine crée un champ magnétique, le spin d’un électron crée également un moment dipolaire magnétique.

Bien que tous les matériaux aient des électrons en rotation qui créent un moment magnétique, tous les matériaux ne sont pas magnétiques. Dans les matériaux naturellement non magnétiques, ces moments magnétiques se présentent par paires orientées dans des directions opposées, s’annulant essentiellement. Ceci est répandu au niveau moléculaire et ne peut pas être modifié pour induire le magnétisme dans un matériau qui est naturellement non magnétique.

Les matériaux qui peuvent devenir magnétiques sont appelés matériaux ferromagnétiques. Dans ces matériaux, la présence de moments magnétiques non appariés se traduit par un champ magnétique orienté dans une direction spécifique. Cependant, tous les objets fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques ne sont pas automatiquement magnétiques. Dans leur forme brute, les moments magnétiques non appariés ne sont confinés que dans des poches, appelées domaines magnétiques.

Dans un matériau non magnétisé, ces domaines magnétiques sont discrets et répartis aléatoirement. Ainsi, il existe simplement des poches magnétisées qui s’annulent également mutuellement. Pour magnétiser un objet, ces domaines sont exposés à un champ magnétique très puissant afin de pouvoir être alignés dans une direction commune.

Une autre méthode pour créer des objets magnétisés consiste à aligner les grains pendant la fabrication en soumettant la matière première à une pression élevée. Cela crée un champ magnétique beaucoup plus fort, car cela signifie qu’une plus grande partie des grains d’un objet est alignée dans la direction préférée.

Les alliages fabriqués à partir d’aimants aux terres rares sont devenus le matériau de prédilection pour la création d’aimants depuis le début des années 1980. Il existe deux types de métaux des terres rares utilisés pour cette application: le néodyme et le samarium-cobalt. Les métaux des terres rares sont appréciés car ils peuvent contenir des moments dipolaires magnétiques plus forts. Cependant, ces métaux des terres rares sont également très coûteux.

Existe-t-il actuellement un filament magnétique?

Fer composite PLA

Pour le dire brièvement, oui, il existe des filaments utilisés dans l’impression 3D qui sont commercialisés comme «magnétiques». Le filament PLA en fer composite de Proto-pasta est un bon choix, tout comme le PLA ferromagnétique de Black Magic 3D. Comme leur nom l’indique, ces filaments composites sont constitués de particules ferromagnétiques solides en suspension dans une matrice PLA. Cela les rend assez faciles à imprimer, même si vous devrez peut-être faire face à la fragilité

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Cependant, vous devrez gérer vos attentes concernant ces produits. Bien que constitués de matériaux ferromagnétiques, les grains noyés dans ces filaments ne sont pas uniformément alignés. Cela signifie qu’ils peuvent réagir à un champ magnétique mais n’émettent pas eux-mêmes de champ magnétique.

Malgré les limitations, l’impression 3D avec des matériaux ferromagnétiques peut toujours être utile pour plusieurs applications. Vous pouvez créer des pièces de design, des accessoires pour la maison et des accessoires de mode aux propriétés magnétiques. Il est même possible de créer des capteurs magnétiques de remplacement, des actionneurs, des pièces de génie mécanique, des supports de stockage magnétiques et des stators sur mesure pour les moteurs sans balais.

Les particules solides incrustées dans ces filaments sont majoritairement constituées de fer. Cela présente une opportunité de terminer une impression magnétique via la rouille. Cela se fait en ponçant simplement la surface extérieure de l’impression finie pour exposer certaines des particules de fer et en immergeant l’objet entier dans de l’eau saline pendant 2 à 3 jours. Cela se traduit par la rouille des particules de fer, ce qui crée une magnifique finition brun rougeâtre.

Si vous envisagez d’utiliser un filament magnétique pour imprimer en 3D des pièces d’ingénierie fonctionnelle, vous devrez tenir compte de l’effet de la matrice en plastique sur les propriétés de l’impression finie. Ces filaments magnétiques contiennent entre 20% et 40% de PLA, ce qui diminue la force avec laquelle ils réagissent aux champs magnétiques. Cela pourrait être crucial pour les capteurs magnétiques et les stators utilisés dans des opérations très sensibles.

Les filaments magnétiques souffrent également des inconvénients habituels des filaments composites. Ils sont très cassants et faciles à casser, vous devez donc vous assurer que le filament ne passe pas par des angles vifs sur son chemin de la bobine à l’extrudeuse. La présence de particules de fer rend également les filaments magnétiques très abrasifs. Si votre imprimante est équipée d’une buse en laiton, vous voudrez peut-être la remplacer par une buse résistante à l’usure avec un diamètre légèrement plus large.

Recherche actuelle sur les aimants d’impression 3D

impression 3d ferromagnétique

Le fait que vous ne puissiez pas imprimer d’objets magnétiques en 3D à l’aide de votre imprimante 3D de bureau standard peut être décevant, mais cela ne signifie pas que cela ne sera pas possible à l’avenir. Des études sont déjà en cours et examinent l’impression 3D comme un moyen de fabriquer plus rapidement des aimants permanents et doux.

L’une des tentatives les plus en vue de créer un objet magnétique grâce à l’impression 3D a été entreprise par un groupe d’étudiants du MIT en 2018. Le groupe a utilisé un filament infusé de particules magnétiques, tout comme les produits que nous avons énumérés ci-dessus, mais un électromagnétique monté sur la buse de l’imprimante 3D. Cela a entraîné l’alignement des particules magnétiques dans des directions contrôlées par l’électroaimant.

Le résultat du projet MIT était une série de constructions imprimées en 3D qui réagissaient à un champ magnétique externe de manière prévisible. En introduisant une diversité dans les directions dans lesquelles les grains étaient alignés, l’équipe a pu trouver des objets qui peuvent faire plus que se plier ou s’étirer lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique – ils peuvent se déplacer et prendre différentes formes. D’une certaine manière, l’équipe a créé des «robots logiciels» qui peuvent être contrôlés sans contact physique ni technologie de communication sans fil.

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Dans un article publié, un groupe de chercheurs de l’Université de technologie de Vienne a créé un filament d’impression 3D personnalisé en utilisant une combinaison de particules magnétiques douces et dures intégrées dans une charge de polyamide. Le but de cette étude était de combler le fossé entre la force magnétique de la poudre magnétique frittée et celle des objets imprimés en 3D réalisés par extrusion.

Ce qui distingue cette étude, c’est le filament personnalisé. En incluant des métaux des terres rares avec d’autres ferrites, ils ont prouvé que l’impression 3D standard pouvait être utilisée pour créer des aimants avec une force magnétique suffisante.

À l’heure actuelle, le plus loin que n’importe quelle institution ait pu fabriquer des aimants permanents via l’impression 3D était via la machine de fabrication additive Big Area (BAAM). C’était l’idée originale du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) par le ministère de l’Énergie (DOE).

La matière première de cet effort était très similaire au projet de l’Université de Vienne – des particules d’aimants de terres rares infusées dans une matrice de polyamide. La plus grande différence ici est qu’ils sont livrés via des pastilles au lieu de filaments pour répondre aux exigences de volume élevé de la machine BAAM. Le processus est à peu près le même, cependant. Les granulés sont fondus et extrudés à travers une buse sur une plate-forme de construction, avec le mouvement de la buse contrôlé par le modèle 3D de référence.

Le travail d’ORNL a été un énorme pas en avant dans le domaine de la fabrication d’aimants, car leurs produits finis se sont avérés comparables aux aimants fabriqués par des méthodes plus traditionnelles. Outre la liberté de créer des aimants de différentes formes, le plus grand avantage de l’impression 3D est qu’il s’agit essentiellement d’un processus zéro déchet. Ceci est particulièrement critique lors de la fabrication d’aimants en métaux des terres rares, car ils sont très coûteux.

Si la technologie développée par ORNL décolle, elle pourrait s’avérer révolutionnaire dans les industries qui fabriquent diverses technologies, notamment les disques durs, les turbines et les véhicules électriques.

Dernières pensées

Pour la plupart des gens, leur exposition aux aimants se présente sous la forme de bibelots ou de bibelots à coller sur le réfrigérateur et à oublier. Cependant, les aimants sont extrêmement importants dans à peu près n’importe quel secteur. On les trouve dans le stockage magnétique, les bandes magnétiques, les turbines des centrales électriques, les moteurs, les capteurs, les actionneurs et les batteries. Ce n’est un secret pour personne que tout développement dans le domaine de la fabrication d’aimants peut changer la donne.

L’idée d’intégrer des aimants et l’impression 3D circule depuis une dizaine d’années. L’objectif est de tirer parti des atouts de l’impression 3D pour fabriquer des aimants de différentes formes et tailles, ainsi que de réduire le temps de fabrication et la quantité de matière qui est gaspillée.

Avertissement; Les imprimantes 3D ne doivent jamais être laissées sans surveillance. Ils peuvent présenter un risque d’incendie.

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