AM易道导语：
注：本文较为枯燥，需要快速浏览的读者请只读加粗或者彩色部分。
本文的专利内容下载信息在文末。
在工业自动化的核心零部件中，永磁体一直扮演着不可或缺的角色。从高效电机到精密传感器，永磁体的性能直接影响着整个系统的效率和可靠性。
然而，传统永磁体制造工艺的局限性，让这个价值数百亿美元的市场始终难以突破性能瓶颈。
就在业界为永磁体制造技术发展瓶颈而困扰之际，工业巨头ABB带来了一项专利。
在专利中，ABB展示了如何运用增材制造/3D打印来彻底改变永磁体的生产方式。
这项创新不仅将生产流程从传统的六步骤简化为两步骤，更巧妙地解决了困扰业界多年的多重技术难题。
AM易道认为，这项技术的突破或将重塑整个永磁体产业链，为电机制造、自动化设备等下游领域带来全新的设计空间和性能提升机会。
传统永磁体制造的困境
在深入ABB的创新方案之前，我们先来看看传统永磁体制造面临的核心问题。
目前,各向异性永磁体的制造需要经过六个繁琐的步骤：
在模具中沉积粉末、外部磁场定向、压制成型、烧结、运输和最终磁化。
这个看似严谨的工艺流程实际上存在两个根本性缺陷：
首先是双重磁化带来的性能损失。为了获得最大磁性能，生坯需要在压制前和最终使用前进行两次磁化。
每次磁化都会造成损失，第一次就会损失约5%的磁定向效果，且始终有约10%的粒子保持未定向状态。这直接影响了永磁体的最终性能。
其次是几何形状的严重限制。
由于成型工艺基于简单的单轴模压或等静压，产品形状受到很大束缚。
即便是轻微的弧面设计，也需要额外的机械加工，显著增加了制造成本。
ABB的技术突破：永磁体增材制造的创新原理
ABB的这项专利技术最引人瞩目之处，在于革新了传统的磁化工艺路线。
不同于常规方法需要反复施加外部磁场，这项技术巧妙地利用了增材制造过程中的材料行为特性，实现了永磁体的"自磁化"。
如图1A-1E所示，这一创新工艺可以分为三个关键环节：首先，如图1A所示，在打印层内形成具有特定排列的磁闭合畴(141-144)；接着如图1B所示，通过预设的切割路径(用虚线标出)分割工件；
切割后最后得到如图1C所示的具有特定磁极分布的永磁体。
更重要的是，这种方法还可以实现复杂的磁化模式，如图1D和1E所示的多极结构。
这种新工艺的核心在于巧妙利用了激光选区熔化(SLM)过程中材料的特殊行为。
当激光束照射铁磁性粉末时，会在局部区域形成所谓的"闭合磁畴"或"避极磁畴"。
这些磁畴的特殊之处在于，它们的磁力线被限制在打印层面内，不会延伸到外部空间。
这就确保了在打印过程中不会产生干扰后续粉末沉积的外部磁场。
工艺参数与材料系统
在材料选择上，ABB的专利涵盖了几乎所有主流永磁体材料体系。
除了常见的钕铁硼（NdFeB）外，还包括铝镍钴（Al-Ni-Co）、钐钴（Sm-Co）、钐铁（Sm-Fe）、钐铁氮（Sm-Fe-N）、铁氮（Fe-N）、锰铝碳（Mn-Al-C）、锰锡钴（Mn-Sn-Co）、锰铋（Mn-Bi）等体系，甚至延伸到了硬铁氧体系统。
保护范围很宽。
根据专利中的实施例，一个成功的圆环形永磁体制造采用如下打印工艺参数：
激光束直径40μm、单点照射时间120μs、层厚40μm、激光功率115W、点距约40μm及扫描间距100μm。
这些精确控制的参数确保了磁性结构的形成。
工艺控制的精确性不仅体现在打印参数上，也反映在产品尺寸的精确控制上。
平行于打印层面方向，可磁化工件最大尺寸可达到1mm以上（优选至少1cm）；
在垂直于打印层面的构建方向上，同样可实现1mm以上（优选至少1cm）的尺寸控制。
值得注意的是，此专利保护的内容除了NdFeB等传统永磁材料，还可应用于一系列新型永磁材料。
除本专利之外，根据Marquette大学的研究，
3D打印技术在制造Co-Fe、Ni-Fe等软磁材料方面已经取得突破，这为永磁体制造提供了新的材料选择。
深入解析：专利的技术创新点
在打印策略上，ABB的这项专利展现了独特的匠心。
每个打印层都可以设计成特定的打印轨迹，如图4所示的螺旋状轨迹(115)，以及如图2B所示的闭合轨迹(114)。
特别是在相邻层之间，通过设计垂直的打印轨迹，可以形成理想的三维磁化结构。这种精心设计的打印路径不仅确保了磁性结构的连续性，还为实现复杂的磁化模式提供了可能。
如图3所示，打印过程中的两个关键参数是"点距离"(160)和"扫描间距"(170)。点距离控制在10-150μm之间(优选30-80μm)，扫描间距在50-300μm之间(优选100-150μm)。
这些精确的参数控制，结合激光功率、扫描速度等工艺参数的优化，确保了磁性结构的连续性和均匀性。
这种精确控制的打印方式带来了一个意想不到的优势：通过改变打印轨迹的方向和排列方式，可以在工件内部形成预设的磁化模式。
专利特别描述了一种独特的打印策略：
在工件的不同区域采用相反的打印方向（顺时针和逆时针），这种方法可以在后续切割时形成预定的磁极分布。
特别值得注意的是永磁体内部的微观结构特征。
专利揭示，通过精确控制打印工艺，可以形成具有特定取向的磁性颗粒结构。
这些磁性颗粒呈现出独特的方向性特征：从暴露表面观察时表现为细长或管状结构，而从与工件层平行的方向观察则呈现圆形。
在暴露表面平面内，这些磁性颗粒的平均尺寸可达到0.5μm以上，优选至少1μm。这种特殊的微观结构是实现预期磁性能的关键。
在专利内容中，ABB并没有披露相关的图片。AM易道未能直观理解以上的表述，请了解永磁体LPBF制造的读者私信反馈。
AM易道的整体理解是，传统工艺需要将多个不同取向的磁体组装在一起，而ABB的方法可以直接打印出具有理想磁场分布的整体结构。
在后处理环节，专利提供了多种精确的分割工艺选择。前文提到，闭合磁畴切割后就变成具有特定磁极分布的永磁体。
除了常规的切割方式外，专利还保护了包括沿预设断裂点进行可控断裂、精密锯切、表面研磨（研磨面需与暴露表面平行）以及喷射包层等方法。
这些不同的分割方式为不同应用场景提供了灵活的工艺选择。
更重要的是，整个制造过程无需施加外部磁场，就能通过合理的分割方式获得预期的磁性能。
从实验数据看效果
专利提供的实验数据展示了这项技术的可靠性。
如图5A和5B所示，对一个圆环形永磁体在距表面1mm处测量的磁场分布图清晰地显示了预期的磁极结构。
图6则展示了一个更为复杂的立体永磁体的磁场分布，证明了这种方法在不同几何形状上的适用性。
这种方法最显著的特点是工件在切割前的磁场强度低于0.1kA/m，而切割后可产生至少1kA/m的外部磁场强度，优选可达到10kA/m以上，在最优条件下甚至可超过100kA/m。
这种巨大的磁场强度差异不仅保证了加工和运输的便利性，同时也确保了最终产品的高性能表现。
这项技术最具突破性的特征在于整个制造过程无需外加磁场。
通过合理控制打印参数和后处理工艺，即可在切割后自发形成高达100 kA/m的外部磁场强度。
这种"自磁化"特性不仅简化了工艺流程，还为永磁体的性能优化提供了新思路。
产业变革的可能趋势
ABB这项技术的出现，可能会给永磁体产业带来深远影响。
通过SLM技术，首先是带来生产效率的提升：从六步骤简化为两步骤，不仅降低了生产成本，也大大缩短了制造周期。
更重要的是，这种方法解决了永磁体运输的老大难问题。
由于工件在切割前基本无磁性，可以安全运输和储存，直到最终使用地点才进行切割和磁化。
根据Marquette大学的研究，这种技术在航空航天领域可能会率先实现突破。
主要基于三个原因：
电动飞机产业的快速发展；
对高性能永磁体的迫切需求；
航空航天领域对增材制造技术的成熟应用经验；
高速电机和特种电机需求旺盛。
当然老生常谈的是，要实现大规模产业化还面临一些挑战。
ABB的公开信息并没有任何宣传其3D打印永磁体的技术信息。
但其关于其最新永磁体技术的介绍非常有趣：
ABB宣称其新款船舶永磁发电机系统较传统感应或励磁同步发电机有显著优势：
体积减小20%，重量降低30%，燃料成本降低4%，每天可减少数吨CO2排放。
这些优势主要归功于其永磁体技术的创新。
目前ABB已获得12艘21万吨级双燃料散货船的永磁轴带发电机订单。
AM易道认为，这些更环保且性能提升的表述很可能正是得益于ABB这项3D打印永磁体制造技术。
写在最后
AM易道认为，未来这项技术的发展重点将聚焦在三个方向：
一是开发更多适合增材制造的永磁材料配方；
二是优化打印工艺参数，进一步提升磁性能；
三是开发多材料打印系统，实现永磁体与其他功能部件的一体化制造。
特别是在电机设计领域，这种技术有望带来革命性的创新。
ABB的这项专利技术虽然比较枯燥，也没有太多的图片，但这是一个巨大的应用市场的典型案例。
AM易道将持续关注增材制造技术在功能材料领域的最新发展，为读者带来更多深度分析。
本文的专利文件请私信公众号“ABB”，获取下载链接。
如果读者对这项技术有更多见解或者应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。
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