img

แม่เหล็กกำลังสูงนั้นอยู่รอบๆตัวเรา พวกมันสามารถถูกพบได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตั้งแต่ลำโพงไปจนกระทั่งฮาร์ดไดรฟ์ในคอมพิวเตอร์ พวกมันยังเป็นกุญแจสำคัญของหลายๆมอเตอร์ที่ช่วยให้ลิฟท์หรือรถยนต์ทำงานได้ และพวกมันมีความต้องการที่สูงมากในเกือบทุกๆที่ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรพยายามหาทางที่จะพัฒนาพวกมัน และในตอนนี้ กลุ่มของนักวิจัยได้ค้นพบหนทางใหม่ พวกเขาสร้างพวกมันขึ้นจากการพิมพ์แบบสามมิติ

อุปกรณ์แม่เหล็กเหล่านี้ไม่เหมือนกับแม่เหล็กที่พวกเราใช้ติดหน้าตู้เย็น แม่เหล็กเหล่านี้ทำจากวัตถุ rare earth ซึ่งเป็นกลุ่มของธาตุโลหะที่มีแนวโน้มหาได้ยากและยากต่อการทำเหมืองในปริมาณมาก จึงทำให้มีมูลค่าที่สูงมาก ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์อยากที่จะหาวิธีการใช้งานธาตุในกลุ่มนี้ให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด

Parans Paranthaman เป็นนักวัสดุศาสตร์จาก Oak Ridge National Laboratory ใน Tennessee กลุ่มของเขาทำการค้นหาหนทางเพื่อจะสร้างแม่เหล็กที่มีพลังงานสูงในรูปแบบหรือขนาดใดๆก็ตาม นักวิจัยเหล่านี้ใช้การผลิตแบบพิเศษเพิ่มเติม ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของการพิมพ์แบบสามมิติที่เครื่องมือสามารถทำการพิมพ์วัสุดของแข็งโดยการสร้างตัวมันเองเป็นชั้นๆ จากล่างขึ้นบน

อุปกรณ์ชนิดใหม่นี้บ่อยครั้งต้องการรูปแบบของแม่เหล็กที่สั่งทำจำเพาะ หนึ่งในข้อดีของการพิมพ์แบบสามมิติคือมันทำให้พวกเราออกแบบรูปแบบของแม่เหล็กได้ตามที่เราต้องการ

“ด้วยการผลิตรูปแบบนี้ทำให้คุณสามารถสร้างแม่เหล็กเหล่านี้ได้ในรูปแบบที่ซับซ้อนมากยิ่งขึ้นมากกว่าเครื่องมือแบบปกติทั่วไป” Randy Bowman กล่าว เขาทำการศึกษาแม่เหล็กที่ NASA’s Glenn Research Center ใน Cleveland, Ohio และเขาไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องกับการศึกษาในครั้งนี้

Paranthaman และทีมวิจัยของเขาทำการพิมพ์แม่เหล็กที่เชื่อมต่อกัน นั่นหมายถึงพวกเขาบรรจุผงแม่เหล็กลงไปด้วยกันกับพอลิเมอร์ การรวมวัสดุที่เป็นแม่เหล็กลงไปบางส่วนในพอลิเมอร์นั้นหมายถึงแม่เหล็กที่เชื่อมต่อกันนั้นจะไม่ถูกทำลายได้ง่ายๆเหมือนกับแม่เหล็กเดี่ยวๆ

แม่เหล็กที่เชื่อมกันนั้นโดยปกติจะถูกทำขึ้นมากจากเทคนิคที่เรียกว่าการขึ้นรูปแบบอัดฉีด กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับความร้อนที่ทำให้วัสดุแม่เหล็กนั้นหลอมจนกลายเป็นของเหลวหลังจากนั้นจะใช้แรงอัดให้ได้ตามรูปแบบที่ต้องการ เมื่อของเหลวถูกทำให้เย็นตัวลง มันจะแข็งตัวและอยู่ในรูปแบบที่ต้องการ การขึ้นรูปแบบอัดฉีดมีประโยชน์อย่างมากต่อการขึ้นรูปแม่เหล็กจำนวนมากที่มีลักษณะรูปร่างเหมือนกัน แต่มันไม่เหมาะกับการผลิตแม่เหล็กที่มีปริมาณน้อย นั่นเป็นเพราะว่ามันต้องใช้เวลา เงิน และวัสดุในการสร้างแบบ ก่อนที่แม่เหล็กชิ้นแรกจะถูกทำขึ้น การสร้างแบบสำหรับการทำการอัดฉีดขึ้นรูปนั้นมีราคาที่สูงมากเทียบได้กับการทำเครื่องถ่ายเอกสารหนึ่งเครื่องเพื่อทำการคัดลอกกระดาษหนึ่งแผ่น

“แม่เหล็กถาวรยังสามารถที่จะทำได้โดยผ่านกระบวนการ sintering อนุภาคของโลหะจะถูกทำให้ร้อนขึ้นและบีบอัดเข้าด้วยกันจนกระทั่งพวกมันรวมติดกัน ซึ่งกระบวนการนี้จะมีการตัดแต่งให้ได้ตามรูปแบบที่ต้องการ” Paranthaman กล่าวว่า “กระบวนการ sintering ก่อให้เกิดของเสียได้มากถึงครึ่งหนึ่งของวัตถุดิบ”

อย่างไรก็ตามการพิมพ์แบบสามมิตินั้นเหมาะกับการผลิตในขนาดเล็ก กระบวนการนี้ทำให้ผู้ผลิตสามารถพิมพ์แม่เหล็กและทำการทดสอบพวกมันได้ การทดสอบเหล่านี้ช่วยให้พวกเขาหาได้ว่ารูปแบบที่ดีที่สุดของแม่เหล็กก่อนที่จะทำการสร้างแบบเพื่อลดปัญหาต่างๆเป็นอย่างไร การพิมพ์แบบสามมิติยังมีประโยชน์ต่อบริษัทที่ต้องการสร้างแม่เหล็กในจำนวนน้อยๆเท่านั้นอีกด้วย และเนื่องจากการพิมพ์แบบสามมิตินั้นสามารถสร้างวัสดุที่มีรูปแบบนั้นๆได้โดยตรง การสูญเสียวัตถุดิบจะมีน้อยมาก

ในการที่จะสร้างกระบวนการผลิตแบบพิมพ์สามมิติ Paranthaman และทีมวิจัยของเขาใช้เวลากว่าสองปีในการทดสอบ ในตอนนี้พวกเขาได้ทำการสร้างรูปแบบของการขึ้นรูปแม่เหล็กขึ้น

กระบวนการสร้างแม่เหล็กของพวกเขาเริ่มจากเม็ดแม่เหล็ก สิ่งนี้ประกอบไปด้วยธาตุ ไอรอน โบรอน และนีโอไดเมี่ยม ในรูปแบบผง นีโอไดเมี่ยมเป็นเหล็กที่มีความนุ่ม มันเป็นส่วนหนึ่งของธาตุกลุ่ม rare earth และในเม็ดเหล่านี้ยังมีไนลอนอยู่ด้วย ในระหว่างที่ทำการพิมพ์ เครื่องมือจะทำการให้ความร้อนเม็ดแม่เหล็กเหล่านี้ ซึ่งมันจะหลอมกลายเป็นของเหลว ของเหลวจะเคลื่อนผ่านหัวรูเข็มที่เรียกว่าตัวอัดฉีด มันจะเคลื่อนตัวทั้งไปข้างหน้าถอยหลัง และด้านซ้ายด้านขวา หัวรูเข็มจะทำการปล่อยของเหลวออกมาในแต่ละชั้นเพื่อทำการสร้างรูปแบบที่ถูกต้อง

สิ่งท้าทายสำหรับการพิมพ์แม่เหล็กนั้นยังมีอยู่ สิ่งท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคืออุณหภูมิ ที่อุณหภูมิสูงเมื่อมอเตอร์ทำงานอยู่นั้น สนามแม่เหล็กจะเริ่มอ่อนลง ดังนั้นเป้าหมายของเขาคือการออกแบบแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพสูงที่ทำงานได้แม้ว่าจะอยู่ในอุณหภูมิที่สูงขึ้นก็ตาม

ที่มา: L. Li et al. Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets. Scientific Reports. Published online Oct. 31, 2016. doi: 10.1038/srep36212.