Физики наладили 3D-печать магнитов из редкоземельных металлов

Физики Уральского федерального университета и Института физики металлов УрО РАН придумали технологию 3D-печати постоянных магнитов из редкоземельных элементов. Подобные магниты востребованы в высокотехнологичных устройствах (современных электрокарах, электрогенераторах, авиации, космической сфере) и могут надежно работать на протяжении десятков и даже сотен лет, сообщила пресс-служба УрГУ.

Ученые работали над созданием отечественной технологии несколько лет по заказу частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом») в рамках Единого отраслевого тематического плана.

«Госкорпорация “Росатом” развивает неядерное направление и выстраивает полную технологическую цепочку от добычи сырья до получения готовой продукции — к примеру, электромобилей, работа которых невозможна без высокоэнергетических магнитов. У нас есть компетенции во всех ключевых звеньях редкоземельной промышленности: в добыче сырья (горнорудный дивизион); разработке и внедрении новых технологий получения редкоземельных металлов и продуктов из них (научный дивизион), производстве (топливный дивизион). При этом мы, безусловно, заинтересованы в сотрудничестве с другими организациями для создания и развития отечественных технологий, которые помогут не только укрепить технологический суверенитет нашей страны, но и будут востребованы в самых разных высокотехнологических сферах и на мировом рынке», — рассказал научный руководитель приоритетного направления научно-технологического развития «Росатома» «Материалы и технологии», первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб.

Аддитивные технологии, разработанные уральскими учеными, позволяют печатать постоянные магниты с улучшенными свойствами двух видов: на основе неодима и железа (неодимовые магниты) с добавлением празеодима, тербия и диспрозия (работают при температурах до 200 градусов Цельсия) и самария-кобальта (работают при температурах до 550 градусов Цельсия).

Исследователи получили постоянные магниты размером 10×10×3 мм — это средние магниты (при необходимости их размер можно увеличить или уменьшить). Для сравнения, в смартфонах (динамики, микрофоны, устройства для вибрации) используют магниты размером преимущественно 1×1x1 мм, а в роторах двигателей электромобилей устанавливают постоянные магниты в 50×50×20 мм. Магниты большего размера практически не создают, так как в этом нет необходимости.

«Постоянные магниты с редкоземельными металлами, в особенности из самарий-кобальта, востребованы в авиастроении, космической сфере, то есть там, где всё должно работать надежно, без сбоев. Кроме того, в современных электрокарах, например, в последних Tesla или китайских электромобилях, также стали использовать постоянные магниты. Это позволило уменьшить размер двигателей, их вес, увеличить износостойкость и КПД на 10–15 %», — объяснил руководитель исследовательского коллектива, заведующий кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов.

Технология аддитивного производства позволяет сразу создавать изделия сложной формы и магнитные системы.

«Мы можем создать не просто магнит, а систему с несколькими полюсами, в которой могут быть токонепроводящие прослойки или другие особенности. Традиционным способом так сделать не получится, потому что один из этапов производства — прессование — накладывает колоссальные ограничения на форму магнита. Например, нам удалось напечатать „правильный“ ротор — цилиндр Хальбаха. Это шайба с отверстием, внутри которого магнитное поле. Снаружи магнитного поля нет. Для создания такого магнита традиционным способом пришлось бы добавлять дополнительный магнитомягкий материал. А у нас сразу получился магнит, который является магнитной системой и лучшим вариантом для электрической машины», — уточнил Алексей Волегов.

3D-печать помогает снизить потери КПД за счет снижения вихревых токов в процессе эксплуатации. На стыке двух магнитов в магнитной системе, созданной традиционной технологией, образуются резкие ярко выраженные магнитные поля, увеличивающие нагрев изделия и снижающие КПД. С этой относительно небольшой проблемой также помогут справиться аддитивные технологии, поясняют физики.

«Наши магниты не уступают мировым аналогам, а по некоторым характеристикам и превосходят их. Так, у магнитов из самарий-кобальта мы получили лучшие известные на сегодня в мире свойства. Наши магниты не существенно, на 3–5 %, но лучше аналогов немецкой группы под руководством Dagmar Goll. По магнитам из неодима результаты также на уровне мировых. Если сравнивать с аналогами, созданными по традиционной технологии, то механические свойства идентичны, а магнитные немного уступают. По остаточной намагниченности отставание порядка 20 %, по максимальному энергетическому произведению — 30 %, по коэрцитивной силе — на уровне. Но, полагаю, мы придумаем, как это исправить. И, если сравнивать с аддитивными технологиями, то судя по тому, что публикуют зарубежные коллеги в научных журналах и открытых источниках, наши результаты лучше, чем у кого-то бы то ни было в мире», — подчеркнул Алексей Волегов.

Между тем аддитивные технологии и оборудование госкорпорации «Росатом» уже сегодня готовы к использованию в авиационной, космической и атомной отраслях. Об этом Алексей Дуб рассказал на бизнес-сессии, посвященной развитию аддитивных технологий в госкорпорации. Мероприятие, организованное «Росатом Аддитивные технологии» (входит в Топливный дивизион), прошло с 16 по 17 апреля в музее «Атом».

По словам Алексея Дуба, ученые комплексно развивали аддитивные технологии в «Росатоме» как в рамках Единого отраслевого тематического плана, так и комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий. Ожидается, что работа будет продолжена в рамках национального проекта технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии».

«Мы завершили разработку и изготовление целой линейки отечественных 3D-принтеров, которые работают по десяти различным технологиям, включая печать изделий сложной формы из тугоплавких металлов и керамики, а также с внедрением непрерывных волокон и дисперсионно-упрочняющих элементов. Большое достижение — изготовление установок высокотемпературного селективного лазерного плавления, которые ранее не производились в России и были представлены лишь иностранными аналогами. Свойства получаемых изделий по всем показателям прочности и устойчивости к агрессивной среде не уступают тем, которые изготавливают традиционным способом», – отметил он.

Алексей Дуб также подчеркнул, что важным фактором, облегчающим внедрение полученных изделий в различные отрасли, стала паспортизация процессов аддитивного производства, где зафиксировано соответствие качества конечного продукта требуемым нормативам, продуктивность программно-аппаратной платформы, которая дает возможность эффективно управлять оборудованием в момент печати, а также оценка системы контроля и термографии, позволяющей судить о наличии или отсутствии дефектов получаемых изделий.

«За два года мы проделали огромную работу: от разработки технологических карт до выпуска пилотных изделий, благодаря чему удалось сформировать всю технологическую документацию и проекты ГОСТов. Все изделия, которые мы получили с помощью 3D-принтеров, испытываются не только на наших предприятиях, но и в условиях работы конечного потребителя. Такой двойной контроль дает уверенность потребителям в полном соответствии продукции всем нормативам. Благодаря принятым мерам, аддитивное оборудование “Росатома” уже сегодня готово к использованию в авиационной, космической и атомной отраслях с обеспечением полной паспортизации процесса», – заключил он.

Аддитивные технологии – один из драйверов развития российской промышленности. Они дают возможность уйти от классических конструкций и найти нестандартные решения сложных инженерных задач. В атомной отрасли уже более 30 организаций применяют аддитивные технологии в своих производственных процессах, решены задачи по обеспечению аддитивного производства «Росатома» собственными разработками, что необходимо для устойчивости бизнеса и независимости от внешних поставщиков.