Wie kann man einen Magneten bauen, der genau das gewünschte Magnetfeld hat? Die TU Wien hat eine Lösung: Erstmals können Magnete mit 3D-Drucker hergestellt werden. Foto: (c) TU Wien

Magnete aus dem 3D-Drucker
Starke Magnete herzustellen ist heute technisch kein Problem. Schwierig ist es allerdings, einen Permanentmagneten zu produzieren, dessen Magnetfeld eine ganz bestimmte vorgegebene Gestalt annimmt. An der TU Wien wurde dafür nun eine neue Lösung gefunden: Erstmals kann man Permanentmagnete im 3D-Drucker herstellen. Das ermöglicht komplex geformte Magneten und präzise maßgeschneiderte Magnetfelder, wie man sie etwa für Magnetsensoren benötigt.

Entworfen am Computer
„Es kommt nicht immer nur auf die Stärke eines Magnetfeldes an“, sagt Dieter Süss, Leiter des Christian-Doppler Labors "Advanced Magnetic Sensing and Materials" an der TU Wien. „Oft benötigen wir spezielle Magnetfelder, deren Feldlinien auf ganz bestimmte Weise angeordnet sind – zum Beispiel ein Magnetfeld, das in einer Richtung ziemlich konstant ist, dessen Stärke sich aber entlang einer anderen Richtung stark verändert.“

Um solche Anforderungen zu erfüllen stellt man Magnete mit raffinierter geometrischer Form her. „Man kann einen Magneten am Computer entwerfen und seine Form anpassen, bis sein Magnetfeld alle gewünschten Anforderungen erfüllt“, erklärt Christian Huber, Doktoratsstudent im Team von Dieter Süss.

Doch wenn die gewünschte geometrische Form bekannt ist – wie lässt sich das Design dann umsetzen? Eine Möglichkeit ist das Spritzgussverfahren. Dafür muss man aber eigens eine Gussform herstellen, und das ist zeitaufwendig und teuer. Für die Produktion kleiner Stückzahlen lohnt sich das kaum.

Winzige Magnetpartikel in Kunststoff-Matrix
Nun gibt es dafür eine viel einfachere Methode: An der TU Wien entstand der erste 3D-Drucker, mit dem man Objekte aus magnetischen Materialien herstellen kann. 3D-Drucker, die Kunststoffstrukturen erzeugen, gibt es schon lange, und das Funktionsprinzip des Magnet-Druckers ist im Grunde dasselbe. Allerdings arbeitet der Magnet-Drucker mit speziell hergestellten Schnüren aus magnetischem Mikro-Granulat, das von einem Kunststoff-Bindematerial zusammengehalten wird. Im Drucker wird das Material erhitzt und mit einer Düse Punkt für Punkt an den richtigen Stellen aufgebracht. So entsteht ein dreidimensionales Objekt, das zu ungefähr 90% aus magnetischem Material und zu 10% aus Kunststoff besteht.

Das Endprodukt ist zunächst noch nicht magnetisch, weil das Granulat in unmagnetisiertem Zustand eingebracht wird. Das fertige Objekt wird erst am Ende einem starken äußeren Magnetfeld ausgesetzt, dadurch wird es zum Permanentmagneten.

„Wir können auf diese Weise unterschiedliche magnetische Materialien verarbeiten, beispielsweise die besonders starken Neodym-Eisen-Bor Magnete“, sagt Dieter Süss. „Die Magnetdesigns, die wir am Computer berechnen, können wir damit rasch und präzise umsetzen – in einem Größenbereich von wenigen Zentimetern bis zu Dezimetern, mit einer Genauigkeit von weit unter einem Millimeter.“

Völlig neue Möglichkeiten
Das neue Verfahren ist nicht nur schnell und billig, es eröffnet nun auch Möglichkeiten, die mit anderen Techniken völlig undenkbar wären: So könnte man etwa in einem einzigen Magneten unterschiedliche Materialien verarbeiten und einen sanften Übergang zwischen starkem und schwachem Magnetismus erzeugen. „Nun werden wir ausloten, wie weit wir gehen können – aber bereits jetzt ist klar, dass der 3D-Druck Möglichkeiten im Magnet-Design bietet, von denen wir bisher nur träumen konnten“, meint Dieter Süss.

Originalpublikation: Huber et al., Applied Physics Letters (109, 16); DOI: 10.1063/1.4964856
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/109/16/10.1063/1.4964856

Quelle: Technische Universität Wien

Kontakt:
Dr. Dieter Süss
Institut für Festkörperphysik
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13746
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