Projekti / Programi
Razvoj večkomponentnih trajnih magnetov kompleksnih oblik z uporabo napredne tehnologije 3D tiskanja.
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
3D tiskanje materialov, trajni magneti, visokoenergijski magneti, energija,okolje, redke zemlje
Raziskovalci (12)
Organizacije (3)
Povzetek
S prehodom na obnovljivo energijo in električno mobilnost, zlasti za motorje hibridnih električnih vozil (HEV) in električnih vozil (EV), so trajni magneti (TM), zlasti Nd-Fe-B magneti, ena izmed najbolj nujnih surovin, ki jih potrebuje moderna Evropa, saj so sestavni del pretvorbe energije v elektromotorje in generatorje. Zaradi povpraševanja po večji učinkovitosti, nižjih stroških in razvrstitvi surovin kot kritičnih za EU, se vedno bolj povečujejo industrijska in znanstvena prizadevanja za oblikovanje nove generacije Nd-Fe-B magnetov tako po obliki kot sestavi. Današnje raziskave se osredotočajo na iskanje novih magnetnih materialov in magnetnih materialov brez elementov težkih redkih zemlj, vendar do sedaj ni bilo mogoče najti primerne zamenjave za Nd-Fe-B magnete z visoko vsebnostjo disprozija. Pokazalo se je, da bi sprememba konstrukcije magneta ("V" geometrija oblike) lahko povečala učinkovitost za 50% v pogonskem motorju, vendar izdelava zapletenih kompleksnih delov z neposrednim sintranjem še ni praktično izvedljiva, ker zahteva energijsko in surovinsko intenzivno končno obdelavo.
Cilj predlaganega projekta je razvoj novega tipa magneta, ki bo imel manjšo vsebnost težkih redkih zemelj in povečano učinkovitost z uporabo sprememb pri obliki magneta, kot je zamenjava magnetov tipa "V" z enim magnetnim telesom ukrivljene oblike, ali z uvajanjem hladilnih struktur in majhnih laminacij / segmentov, da se tako zmanjšajo izgube zaradi vrtinčnih tokov. To bo doseženo z uporabo napredne tehnologije 3D tiskanja, ki je vroča tema v današnjem proizvodnem procesu, vendar v proizvodnji magnetov še ni bila uporabljena. Razvili bomo simulacije, da bi dosegli najboljše zasnove za magnete v pogonskem motorju. Ti novi oblikovni koncepti bodo v nadaljevanju natisnjeni v modificiranem tiskalniku po principu ciljnega nalaganja materiala po plasteh (FDM). Tiskalnik bo uporabljal posebej izdelane filamente, pripravljene v modificiranem ekstruderju, kjer bo mešanica polimera in magnetnega prahu ekstrudirana skozi magnetno polje, da se tako dosežejo usmerjeni delci za najvišje magnetne lastnosti. Različni filamenti bodo pripravljeni z različno vsebnostjo težkih redkih zemelj. Ti bodo hkrati natisnjeni v postopku razvoja večkomponentnih magnetov z visokimi magnetnimi lastnostmi le v območjih, kjer je magnet izpostavljen največji demagnetizacijski obremenitvi. Da bomo dosegli dobre magnetne lastnosti po tiskanju, bomo polimer odstranili in tako dobljeni zelenec sintrali, tako da bomo dobili magnet visoke gostote. Ker to na večkomponentnih magnetih nikoli še ni bilo izvedeno, je potrebno posebno pozornost posvetiti odstranjevanju polimera in sintranju zaradi različnih temperatur sintranja materialov. Za oceno gospodarskega in okoljskega vidika predlaganega proizvodnega procesa bomo izvedli temeljita analize kot so: LCA (Life Cycle Analysis) in LCC (Life Cost Cycle) ter rezultate primerjali s klasičnim sintranjem s naknadno termično in/ali mehansko obdelavo.
Razpoložljiva visoka stopnja interdisciplinarnega znanstvenega in tehničnega strokovnega znanja v okviru projektne skupine JSI, CEM in Kolektor d.o.o. ponuja edinstvene priložnosti za razvoj celovitega kompletnega znanja o možnostih, tako v znanstveni odličnosti in izkoriščanju rezultatov, kot v uporabi naprednih tehnologij, ki so ključnega pomena za reševanje strateško pomembnih vprašanj o kritičnih surovinah. Razvoj kompleksnega večkomponentnega trajnega magneta lahko izboljša Kolektorjev strateški položaj na svetovnem trgu kot proizvajalec magnetov s povečano učinkovitostjo materiala za najmanj 30% med proizvodnjo in z zmanjšanjem potrebe po težkih redkih zemeljskih elementih pod 1% za uporabljajo v električni mobilnosti. Trenutna poraba težkih redkih zemelj za te aplikacije je 10-11 %. V kratkem in srednjeročnem obdobju bo predlagana nova tehnologija povečala povpraševanje, proizvodnjo in število delovnih mest v Kolektor d.o.o. Ta nova tehnologija bi Kolektor d.o.o. zaščitila pred nest
Pomen za razvoj znanosti
Aditivna proizvodna tehnologija je relativno mlada znanost in na področju indirektnega magnetnega tiskanja na osnovi polimera ni objavljenih člankov. Zato je ta projekt idealen za razvoj novega znanstvenega področja, kjer bi lahko Slovenija imela eno od vodilnih vlog. Raziskave, ki temeljijo na trajnih magnetih, so v Sloveniji dolga in močna tradicija. Skupina na IJS je v zadnjih 25 letih veliko prispevala k raziskavam Nd-Fe-B magnetov z več kot 100 publikacijami na področju trajnega magnetizma in več uspešno končanih in še delujočih projektov recikliranja trajnih magnetov. Poleg tega je Kolektor d.o.o. s 50-letno zgodovino eden vodilnih visoko specializiranih industrijskih proizvajalcev v Evropi na področju komutatorjev, rotorjev, elektronskih, magnetnih in hibridnih komponent. Skupaj z CEM, ki je strokovnjak na področju polimerov, kompozitov, polimernih talin, suspenzij in s tem povezanih aplikacij. Trije partnerji v projektu imajo vse kvalifikacije potrebne za razvoj nove tehnologije, kar bo omogočilo Kolektorju konkurenčnost na zahtevnem trgu trajnih magnetov in pripeljalo do nekaterih pomembnih znanstvenih dosežkov za raziskovalno skupino kot celoto. Najpomembnejši prodor, ki ga lahko pričakujemo, je: uspešen razvoj magnetno polnjenih filamentov z usmerjenimi delci, primernimi za tiskanje v FDM tiskalniku, razvoj 3D tiskalnika z možnostjo tiskanja več magnetnih filamentov in prvi tiskani kompleksni magnetni večkomponentni del, ki bo med proizvodnjo povečal izkoristek materiala za vsaj 30% in zmanjšal količino težkih redkih zemeljskih elementov pod 1%.
Pričakujemo, da bodo ti znanstveni dosežki vodili do pomembnih objav v prestižnih znanstvenih in tehnoloških revijah (2-4 na leto v drugem, tretjem in +1 letu po projektu, z objavami v revijah z odprtim dostopom), patentov in tehnologij, kar bo pomembno za vse člane raziskovalne skupine (skupaj 1-3, ki se nanašajo na tehnike 3D tiskanja, proizvodnje filamenta, tehnike sintranja in industrijskega povečanja). Računamo z uspešno promocijo znanstvenih dosežkov in posledično nove projekte v evropskem merilu, ki bodo koristili vsem slovenskim znanstvenikom s tega področja. Raziskovalna skupina bo odprta tudi za velik potencial licenciranja tehnološkega razvoja, patentiranega v okviru projekta in bo na razpolago podjetjem v Sloveniji, Evropi in po vsem svetu.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposredni vplivi projekta so lahko zelo veliki glede na področje industrije, na katerega se nanaša. Te vplive lahko razdelimo na naslednja področja:
a) Gospodarske koristi za družbo Kolektor d.o.o., pa tudi za gospodarstvo Slovenije in EU na splošno. Na tržišču ne obstajajo 3D natisnjeni magneti, a obstaja močan tržni interes za njih, ki temelji na silni potrebi po boljših magnetih, novih oblikah ter učinkovitejših proizvodnih metodah. Z njihovo uporabo bi dosegli večjo učinkovitost pogonskih motorjev in s tem tudi električnih vozil, ki predstavljajo trenutno najhitrejše rastoče tržišče. Električna vozila vsebujejo ogromne količine RE-TM magnetov v vsakem vozilu (?10kg). Z zmanjšanje vsebnosti težkih redkih zemelj v magnetih z visokimi energijskimi produkti bi močno zmanjšali stroške takih magnetov in s tem Kolektor ne bi bil izpostavljeno visokim nihanjem cen surovin, kar bi povečalo njegovo konkurenčnost in tržni delež. Najpomembnejše dejstvo je, da bodo lahko z uporabo nove tehnologije proizvajali unikatne nove vrste magnetov, s hitro izdelavo in v zapletenih oblikah po meri. To pa pomeni pomembne nove aplikacije na vseh področjih uporabe. Projekt bi imel naslednje neposredne gospodarske učinke: povečanje Kolektorjevega dobička, saj bi začel prodajati izdelke z višjo dodano vrednostjo; rast prodaje Kolektorja za 10-20% v naslednjih petih letih kot rezultat realiziranega projekta; pomemben prispevek slovenskemu nacionalnemu gospodarstvu, povezan z gospodarskim uspehom projekta; tržni delež do 50% za proizvajalce v EU, v primerjavi z drugimi svetovnimi proizvajalci, v naslednjih 10 letih, kot posledica prodaje v podjetju Kolektor d.o.o. in v partnerstvu z drugimi slovenskimi in evropskimi proizvajalci.
b) Zaposlitev v podjetju Kolektor d.o.o. Pričakovani gospodarski uspeh se bo odrazil tudi v povečanem številu zaposlenih v podjetju Kolektor: po sedanji oceni bo v naslednjih petih letih zaradi nove proizvodne linije za aditivno proizvodnjo zaposlenih več kot 10-20 novih ljudi.
c) Okolje in energetska učinkovitost. Projekt bo imel dvojno korist za okolje. Neposredno, zaradi proizvodnje brez odpadkov, ker se bo uporabljal proces proizvodnje neto oblik in ne pride do nastanka odpadkov pri mletju ali rezanju. Poleg tega bo to zmanjšalo količino surovin redkih zemelj, saj je njihovo rudarjenje ena od ekološko najbolj škodljivih dejavnosti na svetu. Vse to bo izboljšalo lokalne pogoje za zaposlene z boljšim delovnim okoljem in čistejšim okoljem v Sloveniji in svetu. Posredno, bo okolje imelo koristi z uvedbo takšnih magnetov, ker bo omogočala nove in energijsko učinkovitejše aplikacije. To velja zlasti za uporabo v prometu, z hitrejšo implementacijo EV in HEV.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
