Untersuchung des Laserstrahlschmelzens von Neodym-Eisen-Bor zur additiven Herstellung von Permanentmagneten Translated title: Evaluation of Laser Powder Bed Fusion of Neodymium-Iron-Boron for Additive Manufacturing of Permanent Magnets

Abstract

Der Einsatz von Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magneten in elektrischen Maschinen ermöglicht die Realisierung von leistungsfähigen Windkraftgeneratoren oder Antrieben moderner Elektrofahrzeuge mit hohem Wirkungsgrad und legt damit die Grundlage für die Energie- und Mobilitätswende. Aber auch in Lautsprechern, Smartphones oder Sensoren dient NdFeB dazu, die Funktionsfähigkeit der Applikation bei minimalem Bauraum zu gewährleisten. Die Herstellung von leistungsfähigen NdFeB-Magneten erfolgt industriell in pulvermetallurgischen Verfahren wie dem Sintern oder kunststoffgebunden. Dabei ist die Formgebung der Magnete mit Blick auf die Entformbarkeit eingeschränkt und die Produktion mit hohem zeitlichen Vorlauf für die Werkzeugherstellung verbunden. Die vorliegende Dissertation behandelt als alternatives Fertigungsverfahren das Laserstrahlschmelzen von Metallen im Pulverbett (PBF-LB/M), in dem die Magnete werkzeuglos und mit sehr hoher geometrischer Gestaltungsfreiheit direkt aus Pulvermaterial hergestellt werden können. Durch die erzielten Ergebnisse ist es bereits heute möglich, die magnetischen Eigenschaften bestimmter kunststoffgebundener NdFeB-Magneten auch durch additive Verfahren darzustellen. Die Forschungsergebnisse tragen darüber hinaus zur Erweiterung der geometrischen Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren um eine magnetische Dimension bei. Damit werden Entwickler magnetischer Kreise dazu befähigt, vollständig neue und nicht durch die Gestaltungsrichtlinien bestehender Fertigungsprozesse eingeschränkte Designvarianten zu konzipieren und innerhalb kürzester Zeit in die Realität umzusetzen. Durch die im PBF-LB/M darstellbare kurzfristige Verfügbarkeit von NdFeB-Magneten kann der Zeitpunkt im Produktentstehungszyklus, an dem die Magnetgeometrie fixiert und keine Änderungen mehr möglich sind, auf einen späten Zeitpunkt verlegt werden. Dadurch kann auf kurzfristige Änderungen an die Anforderungen der Laufeigenschaften der Maschine reagiert oder Toleranzen im Magnetkreis kompensiert werden.

Translated abstract

The use of Neodymium-Iron-Boron (NdFeB) magnets in electrical machines enables the realization of powerful wind power generators or drives of modern electric vehicles with high efficiency and thus lays the foundation for the energy and mobility transition. But NdFeB is also used in speakers, smartphones or sensors to ensure the functionality of the application with minimal packaging space. High-performance NdFeB magnets are manufactured industrially using powder metallurgy processes such as sintering or bonded with plastics. The shaping of the magnets is limited with regard to the removal from the mold and the production is associated with a high lead time for the tooling. This thesis deals with laser powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) as an alternative manufacturing process, in which the magnets can be produced directly from powder material without tools and with a very high degree of geometric design freedom. Thanks to the results obtained, it is already possible to reproduce the magnetic properties of certain plastic-bonded NdFeB magnets by additive manufacturing. The research results also contribute to extending the geometric design freedom of additive manufacturing processes by a magnetic dimension. This will enable developers of magnetic circuits to conceive completely new design variants that are not restricted by the design guidelines of existing manufacturing processes and to turn them into reality within a very short time. Due to the short-term availability of NdFeB magnets that can be realized in PBF-LB/M, the point in the product development cycle at which the magnet geometry is fixed and no more changes are possible can be moved to a late point in time. This makes it possible to react to short-term changes in the requirements of the machine's running properties or to compensate for tolerances in the magnet circuit.