Аддитивные технологии, их место в России и в современном мире
Введение
Современные темпы развития промышленности требуют выбора технологий производства, требующих наименьших затрат и выполняемых в кротчайшие сроки. Наряду с новыми и передовыми технологиями можно отметить стремительный рост внедрения аддитивных технологий. Однако наряду с развитием и внедрением существует также ряд проблем, связанных с применением данных технологий. Попробуем разобраться, что же такое аддитивные технологии, чем они отличаются от традиционных и каковы их плюсы и минусы. аддитивный технология синтез
Существует огромное количество определений, так или иначе характеризующие аддитивные технологии. В общем, под аддитивными технологиями понимают (АМ – Additive Manufacturing, AF- Additive Fabrication) технологии, которые позволяют изготавливать изделия за счет послойного синтеза, или послойного выращивания изделий по цифровой 3D-модели.
Оглавление
1. Аналитический обзор литературы 7
1.1 Введение 7
1.2 3D печать- печать металлами 9
1.3 Технологии лазерного аддитивного производства изделий. 10
1.3.1 Селективное лазерное спекание (SLS) 14
1.3.2 Непрямое лазерное спекание металлов (IMLS) 15
1.3.3 Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) 16
1.3.4 Селективное лазерное плавление (SLM) 17
1.3.5 Влияние параметров SLM золота на качество формируемых слоев 19
1.4 Классификации аддитивных технологий 23
1.5 Магнитные полимерные нанокомпозиты 29
1.6 Магнитопласты 34
1.7 Опыты по изготовлению магнитопластов 37
1.8 Применение магнитов 40
1.9 Материалы и методы 43
1.10Сферы применения. 44
1.11 Аддитивное производство постоянных магнитов 46
1.12 Патентный список 54
1.121 Устройство для послойной печати объемных изделий из металлических проволок….54
1.122 Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов 58
1.13 3д принтер для функциональных технологий 61
2. Расчетная часть 67
Заключение 72
Литература 74
Приложение А 80
Литература
1. Brown D.N., Wu Z., He F. et al. Dysprosium-free melt-spun permanent magnets // J. Phys.: Condens. Matter. 2014. V. 26. pp. 1–8.
2. Владимиров О.В., Ившин И.В., Низамиев М. Ф. и др. Стенд для послеремонтных испытаний асинхронных двигателей напряжением до 1000 В // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 3-4. С. 58-66.
3. Сафин А.Р., Ившин И.В., Грачева Е.И., Петров Т.И. Разработка математической модели автономного источника электроснабжения с свободнопоршневым двигателем на базе синхронной электрической машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 1. С. 38-48.
4. Green J.A. The defense implications of rare earth shortages // National center for policy analysis [Электронный ресурс]. URL: http://www.ncpa.org/pub/ ib112 (дата обращения: 17.03.2021).
5. Buchert M., Goldmann D., Schüler-Hainsch, E., Treffer, F. et al.: Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems Elektromobilität Untersuchung im Rahmen des Projektes «Optimierung der Umweltentlastungspotenziale von Elektrofahrzeugen - Integrierte Betrachtung von Fahrzeugnutzung und Energiewirtschaft – OPTUM» [Resource efficiency and resource-policy aspects of the electromobility system - Study under the auspices of the project Optimisation of environmental potential from electric vehicles - integrated assessment of vehicle use and the energy industry – OPTUM]; Oeko-Institut e.V.; TU Clausthal, IFAD, Daimler AG, Umicore AG & Co. KG, 2012.
6. Грачева Е.И., Абдуллазянов Р.Э., Алимова А.Н. Анализ и способы расчета потерь активной мощности и электроэнергии в низковольтных цеховых сетях // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. № 4(40). С. 53-65.
7. Петров Т.И., Сафин А.Р., Ившин И.В. и др. Модель системы управления станком-качалкой на основе синхронных двигателей с бездатчиковым методом // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 7-8. С. 107- 116.
8. Сафин А.Р., Хуснутдинов Р.Р., Копылов А.М., и др. Разработка метода топологической оптимизации электрических машин на основе генетического алгоритма // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. № 4(40). С. 77-85.
9. Гибадуллин Р.Р., Цветков А.Н., Ившин И.В., и др. Бездатчиковый метод контроля положения подвижного элемента электрической машины возвратно- поступательного действия // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 7-8. С. 133-143. Elwert T. et al. Recycling of ndfeb magnets from electric drive motors of (hybrid) electric vehicles //Journal of Sustainable Metallurgy. 2017. Т. 3. №. 1. С. 108-121. https://doi.org/10.1007/s40831-016-0085-1
10. Yang Y. et al. REE recovery from end-of-life NdFeB permanent magnet scrap: a critical review //Journal of Sustainable Metallurgy. 2017. Т. 3. №. 1. С. 122-149. https://doi.org/10.1007/s40831-016-0090-4
11. Kumari A. et al. Recovery of rare earths from spent NdFeB magnets of wind turbine: Leaching and kinetic aspects //Waste Management. 2018. Т. 75. С. 486-498.
12. Yu Y. et al. The price evolution of wind turbines in China: A study based on the modified multi-factor learning curve //Renewable Energy. – 2017. – Т. 103. – С. 522-536.
13. Ganesan A.U. et al. Performance Analysis of Single-Phase Electrical Machine for Military Applications // Energies. 2019. Т. 12. №. 12. С. 2285.
14. Huber C. et al. 3D print of polymer bonded rare-earth magnets, and 3D magnetic field scanning with an end-user 3D printer // Applied Physics Letters. 2016. Т. 109. №. 16. С. 162401.
15. Khazdozian H.A. et al. Recycled Sm-Co bonded magnet filaments for 3D printing of magnets // AIP Advances. 2018. Т. 8. №. 5. С. 056722.
16. Yang F. et al. 3D printing of NdFeB bonded magnets with SrFe12O19 addition // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Т. 779. С. 900-907.
17. Li L. et al. Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets // Scientific reports. 2016. Т. 6. №. 1. С. 1-7.
18. Li L. et al. Additive manufacturing of near-net-shape bonded magnets: Prospects and challenges // Scripta Materialia. 2017. Т. 135. С. 100-104.
19. Paranthaman M. P. et al. Binder jetting: a novel NdFeB bonded magnet fabrication process // Jom. 2016. Т. 68. №. 7. С. 1978-1982.
20. Yamazaki K., Mukaiyama H., Daniel L. Effects of multi-axial mechanical stress on loss characteristics of electrical steel sheets and interior permanent magnet machines // IEEE Transactions on Magnetics. 2017. Т. 54. №. 3. С. 1-4.
21. Yamazaki K. et al. Characteristics improvement of claw-pole alternators by reducing armature reaction // 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC). IEEE, 2017. С. 1-6.
22. Kustas A.B. et al. Characterization of the Fe-Co-1.5 V soft ferromagnetic alloy processed by Laser Engineered Net Shaping (LENS) // Additive Manufacturing. 2018. Т. 21. С. 41-52.
23. Копылов А.М., Сафин А.Р., Гибадуллин Р.Р. и др. Разработка электрической машины возвратно-поступательного действия модульного типа // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 9-10. С. 126-132.
24. Geng J. et al. Bulk combinatorial synthesis and high throughput characterization for rapid assessment of magnetic materials: Application of laser engineered net shaping (lens™) // Jom. 2016. V. 68. №. 7. pp. 1972-1977.
25. Грачева Е.И., Садыков Р.Р., Хуснутдинов Р.Р., и др. Надежность и компоновка низковольтных распределительных устройств внутрицехового электроснабжения // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. Т. 11.
№ 1(41). С. 3-9.
26. Mikler C.V. et al. Laser additive processing of Ni-Fe-V and Ni-Fe-Mo permalloys: microstructure and magnetic properties // Materials Letters. 2017. V. 192. pp. 9-11.
27. Грачева Е.И., Алимова А.Н. Возможные погрешности расчетов потерь электроэнергии в цеховых промышленных сетях // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 11-12. С. 81-92.
28. Garibaldi M. et al. Free-form design of electrical machine rotor cores for production using additive manufacturing // Journal of Mechanical Design. 2019. V.141. №. 7.
29. McGarry C., McDonald A., Alotaibi N. Optimisation of additively manufactured permanent magnets for wind turbine generators // 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). IEEE, 2019. pp. 656-663.
30. Silbernagel C. Investigation of the design, manufacture and testing of additively manufactured coils for electric motor applications : дис. University of Nottingham, 2019.
31. Wu F., EL-Refaie A.M. Toward additively manufactured electrical machines: opportunities and challenges // IEEE Transactions on Industry Applications. 2019. V. 56. №. 2. pp 1306-1320.
32. Wrobel R., Mecrow B.A comprehensive review of additive manufacturing in construction of electrical machines // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2020. V. 35.
33. Wu F, EL-Refaie A. M. Toward additively manufactured electrical machines: opportunities and challenges . IEEE Transactions on Industry Applications. 2019; 56(2):1306- 1320.
34. Wrobel R, Mecrow B. A comprehensive review of additive manufacturing in construction of electrical machines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2020; 35(2): 1054-1064.
35. Gracheva EI, Sadykov RR, Khusnutdinov RR, et al. Investigation of the reliability parameters of low-voltage switching devices according to the operational data of industrial enterprises. Proceedings of higher educational institutions. Energy problems. 2019; 21(1-2):10- 18. doi 10.30724 / 1998-9903-2019-21-1-2-10-18.
36. Krings A, Boglietti A, Cavagnino A. Soft magnetic material status and trends in electric machines. IEEE transactions on industrial electronics. 2016; 64(3): 2405-2414.
37. Libert F, Soulard J. Manufacturing methods of stator cores with concentrated windings. 2006 3rd IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives- PEMD 2006. IET. 2006: 676-680.
38. Jack AG, Mecrow BC, Dickinson PG. et al. Permanent-magnet machines with powdered iron cores and prepressed windings. IEEE Transactions on industry applications. 2000; 36( 4):1077-1084.
39. Zhang ZY, Jhong KJ, Cheng CW. et al. Metal 3D printing of synchronous reluctance motor. 2016 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). IEEE. 2016: 1125-1128.
40. Zhang ZY, Tsai MC, Huang PW. et al. Characteristic comparison of transversally laminated anisotropic synchronous reluctance motor fabrication based on 2D lamination and 3D printing. 2015 18th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE. 2015: 894-897.
41. Tseng GM, Jhong KJ, Tsai MS. et al. Application of additive manufacturing for low torque ripple of 6/4 switched reluctance motor. 2016 19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE. 2016: 1-4.
42. Garibaldi M, Ashcroft I, Hillier N. et al. Relationship between laser energy input, microstructures and magnetic properties of selective laser melted Fe-6.9% wt Si soft magnets
.Materials Characterization. 2018;143: 144-151.
43. Jhong KJ, Huang WC, Lee W. H. Microstructure and magnetic properties of magnetic material fabricated by selective laser melting. Physics Procedia. 2016; 83: 818-824.
44. Lammers S, Adam G, Schmid HJ. et al. Additive Manufacturing of a lightweight rotor for a permanent magnet synchronous machine. 2016 6th International Electric Drives Production Conference (EDPC). IEEE. 2016: 41-45.
45. Garibaldi M, Ashcroft I, Lemke JN. et al. Effect of annealing on the microstructure and magnetic properties of soft magnetic Fe-Si produced via laser additive manufacturing. Scripta Materialia. 2018; 142: 121-125
46. Safin AR, Petrov TI, Kopylov AM, et al. The method of design and topological optimization of rotors of permanent magnet synchronous motors. Bulletin of Kazan State Power Engineering University. 2020; 12(2): 45-53.
47. Garibaldi M, Ashcroft I, Simonelli M, et al. Metallurgy of high-silicon steel parts produced using Selective Laser Melting. Acta Materialia. 2016;110: 207-216.
48. Li L, Nlebedim IC, Rios O, et al. Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets. Scientific reports. 2016; 6(1): С. 1-7.
49. Urban N, Huber F, Franke J. Influences of process parameters on rare earth magnets produced by laser beam melting. 2017 7th International Electric Drives Production Conference (EDPC). IEEE. 2017:1-5.
50. Compton BG, Kemp JW, Novikov TV, et al. Direct-write 3D printing of NdFeB bonded magnets. Materials and Manufacturing Processes. 2018; 33(1) :109-113.
51. Paranthaman MP, Shafer CS, Elliott AM. et al. Binder jetting: a novel NdFeB bonded magnet fabrication process. Jom.2016; 68(7): 1978-1982.
52. Li L, Tirado A, Conner BS. et al. A novel method combining additive manufacturing and alloy infiltration for NdFeB bonded magnet fabrication. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017; 438: 163-167.
Основной целью создания таких нанокомпозитов является совмещение нескольких компонентов с их особыми свойствами в одном материале. Благодаря синергическому эффекту входящих в них органических и неорганических компонентов, магнитные полимерные нанокомпозиты обладают уникальными характеристиками, которых невозможно достигнуть в только органическом либо только неорганическом материале. Частицы магнитного компонента имеют нанометровые размеры, поэтому их свойства качественно отличаются от основного материала и зависят от размера частиц. Полимерное связующее обеспечивает хорошую обрабатываемость данных материалов, а также хорошие механические, оптические и электрические свойства. Межфазовые взаимодействия полимера с магнитным наполнителем обеспечивают материалу уникальные магнитные свойства, а способность полимера к структурированию позволяет контролировать магнитные взаимодействия между ча