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Laser powder bed fusion of hard magnetic composites

Schäfer, Kilian (2024)
Laser powder bed fusion of hard magnetic composites.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027587
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Hard magnetic materials are crucial in advancing human welfare by supporting carbon-neutral technologies and medical devices. While existing manufacturing techniques are well adapted to producing large, simple-shaped magnets, there is a growing need for a more resource-efficient process to produce intricate small magnetic components. Additive manufacturing emerges as a promising solution capable of fabricating hard magnetic components with complex shapes that generate magnetic stray fields tailored for particular applications, in a resource-efficient manner. The adaptability of additive manufacturing technologies to create anisotropic and locally adjusted material properties holds significant potential for magnetic materials. This work investigates composites formed through laser powder bed fusion, combining hard magnetic powders with polyamide-based polymers and flexible thermoplastic polyurethanes. The influence of the magnetic powder filler fraction, morphology and particle size on the resulting magnetic performance is evaluated. It is demonstrated that anisotropic magnetic properties, which are an important step to increase magnetic performance, can be achieved if elongated powder particles with a relation between crystallography and particle morphology are used. Moreover, the research demonstrates the achievement of localized mechanical properties in hard magnetic composites by utilizing distinct laser processing parameters in different regions during the laser powder bed fusion process. This localised control makes it possible to produce magnetically controllable actuators whose properties can be precisely adapted for applications. The energy efficiency of magnetic actuation can be improved and flexible and adjustable requirements for component geometry and local stiffness, which are needed in biomedical applications, can be met. The findings of this work offer a guideline for tailoring the performance of hard magnetic composites using laser powder bed fusion.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Schäfer, Kilian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Laser powder bed fusion of hard magnetic composites
Sprache: Englisch
Referenten: Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver ; Kupnik, Prof. Dr. Mario
Publikationsjahr: 24 Juli 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: 157 Seiten in verschiedenen Zählungen
Datum der mündlichen Prüfung: 11 Juni 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027587
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27587
Kurzbeschreibung (Abstract):

Hard magnetic materials are crucial in advancing human welfare by supporting carbon-neutral technologies and medical devices. While existing manufacturing techniques are well adapted to producing large, simple-shaped magnets, there is a growing need for a more resource-efficient process to produce intricate small magnetic components. Additive manufacturing emerges as a promising solution capable of fabricating hard magnetic components with complex shapes that generate magnetic stray fields tailored for particular applications, in a resource-efficient manner. The adaptability of additive manufacturing technologies to create anisotropic and locally adjusted material properties holds significant potential for magnetic materials. This work investigates composites formed through laser powder bed fusion, combining hard magnetic powders with polyamide-based polymers and flexible thermoplastic polyurethanes. The influence of the magnetic powder filler fraction, morphology and particle size on the resulting magnetic performance is evaluated. It is demonstrated that anisotropic magnetic properties, which are an important step to increase magnetic performance, can be achieved if elongated powder particles with a relation between crystallography and particle morphology are used. Moreover, the research demonstrates the achievement of localized mechanical properties in hard magnetic composites by utilizing distinct laser processing parameters in different regions during the laser powder bed fusion process. This localised control makes it possible to produce magnetically controllable actuators whose properties can be precisely adapted for applications. The energy efficiency of magnetic actuation can be improved and flexible and adjustable requirements for component geometry and local stiffness, which are needed in biomedical applications, can be met. The findings of this work offer a guideline for tailoring the performance of hard magnetic composites using laser powder bed fusion.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Hartmagnetische Werkstoffe spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung des menschlichen Wohlergehens, indem sie kohlenstoffneutrale Technologien und medizinische Geräte unterstützen. Während die bestehenden Fertigungstechniken gut für die Herstellung großer, einfach geformter Magnete geeignet sind, besteht ein wachsender Bedarf an einem ressourceneffizienteren Verfahren zur Herstellung komplizierter kleiner magnetischer Komponenten. Die additive Fertigung ist eine vielversprechende Lösung, die es ermöglicht, hartmagnetische Komponenten mit komplexen Formen auf ressourceneffiziente Weise herzustellen, die magnetische Streufelder erzeugen, welche für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert sind. Die Anpassungsfähigkeit der additiven Fertigungstechnologien zur Erzeugung anisotroper und ortsspezifischer Materialeigenschaften birgt ein erhebliches Potenzial für magnetische Werkstoffe. Diese Arbeit untersucht Verbundwerkstoffe, die durch Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen hergestellt werden und hartmagnetische Pulver mit Polymeren auf Polyamidbasis und flexiblen thermoplastischen Polyurethanen kombinieren. Der Einfluss des Magnetpulver-Füllstoffanteils, der Morphologie und der Partikelgröße auf die resultierenden magnetischen Eigenschaften wird bewertet. Es wird gezeigt, dass anisotrope magnetische Eigenschaften, die ein wichtiger Schritt zur Steigerung der magnetischen Eigenschaften sind, erreicht werden können, wenn längliche Pulverpartikel mit einer Relation zwischen Kristallographie und Partikelmorphologie verwendet werden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass lokal variierende mechanische Eigenschaften in hartmagnetischen Verbundwerkstoffen durch die Verwendung unterschiedlicher Laserbearbeitungsparameter in verschiedenen Regionen während des Prozesses erzielt werden können. Diese lokalisierte Steuerung ermöglicht es magnetisch kontrollierbaren Aktuatoren herzustellen, deren Eigenschaften für Anwendungen präzise angepasst werden können. Damit kann beispielsweise die Energieeffizienz der magnetischen Aktuation verbessert werden, sowie flexible und regulierbare Anforderungen an Bauteilgeometrie und lokale Steifigkeit, die in biomedizinische Anwendungen benötigt werden, erfüllt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten einen Leitfaden für die Anpassung der Eigenschaften von hartmagnetischen Verbundwerkstoffen durch Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275875
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Funktionale Materialien
Hinterlegungsdatum: 24 Jul 2024 12:26
Letzte Änderung: 25 Jul 2024 06:19
PPN:
Referenten: Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver ; Kupnik, Prof. Dr. Mario
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 11 Juni 2024
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