Nach einer ausführlichen Diskussion der theoretischen Grundlagen des Magnetismus werden anschließend Ergebnisse aus empirischen Versuchen aufgeführt. Es wurden mehrere Versuchsreihen mit unterschiedlichen Compoundrezepturen bestehend aus verschiedenen Füllgraden, magenetischen Füllstoffen (Ferriten und Seltenen Erden) und Additiven (z.B. Kristallisationsverzögerer und Fließhilfen) durchgeführt. Zusätzlich wurden unterschiedliche Polbreiten und Magnetisierungsrichtungen untersucht. Alle Ergebnisse werden nicht nur übersichtlich dargestellt sondern auch kontrovers diskutiert. Dargestellt werden alle messtechnisch ermittelten Werte der Koerzitivfeldstärke, der Remanenzinduktion, des maximalen Energieprodukts sowie der magnetischen Flussdichte. Im Anhang der Arbeit finden sich zusätzlich sämtliche Messergebnisse.
Inhaltsverzeichnis
1 Verwendung von kunststoffgebundenen Dauermagneten
1.1 Verwendung bei magnetischen Codierern
1.2 Verwendung bei Elektromotoren
2 Magnetische Grundlagen
2.1 Kenngrößen des Magnetismus
2.2 Ausprägungen des Magnetismus
2.2.1 Magnetische Momente eines Stoffes
2.2.2 Diamagnetismus
2.2.3 Paramagnetismus
2.2.4 Ferromagnetismus
2.2.5 Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus
2.3 Theorie der Magnetisierungskurve
2.3.1 Theoretische Grundlagen für die Hysteresekurve
2.3.2 Hart- und weichmagnetische Stoffe
3 Versuchsmaterialien und -vorrichtungen
3.1 Verwendete Probenmaterialien
3.1.1 Matrixmaterial Polyamid 12
3.1.2 Ferrite als Füllstoffe
3.1.2.1 Charakterisierung von Ferriten
3.1.2.2 Strontiumferrit als eingesetzter Probenfüllstoff
3.1.3 Seltene Erden-Eisenlegierungen als Füllstoff
3.1.3.1 Charakterisierung von Seltenen Erden
3.1.3.2 Neodym-Eisen-Bor als verwendeter Probenfüllstoff
3.2 Eigenschaften hochgefüllter Kunststoffe mit magnetischen Eigenschaften
3.3 Werkzeuge und Anlagen zur Probenherstellung
3.3.1 Herstellung der Compounds
3.3.2 Spritzguss der Proben
4 Versuchsdurchführung
4.1 Aufmagnetisierung der Proben im magnetischen Richtfeld
4.1.1 Aufmagnetisierung von bipolaren Probenplättchen
4.1.2 Aufmagnetisierung von multipolaren Probenplättchen
4.2 Messanlagen und -geräte
4.2.1 Hall-Sensor
4.2.2 Permagraph
4.3 Versuchsplan der durchgeführten Versuche
4.3.1 Variation der Compoundzusammensetzung
4.3.2 Variation der Polbreite und der Probengeometrie
4.3.3 Variation der Richtfelder im Werkzeug
5 Ergebnisse der durchgeführten Messungen
5.1 Ergebnisse für bipolare Proben
5.1.1 Messung der magnetischen Eigenschaften mit Hilfe des Permagraph
5.1.1.1 Ergebnisse für die Remanenzinduktion Br
5.1.1.2 Ergebnisse für die Koerzitivfeldstärken HcJ
5.1.1.3 Ergebnisse für das maximale Energieprodukt BHmax
5.1.1.4 Messergebnisse für bestimmte Probenbereiche
5.1.2 Messung der Flussdichte an der Magnetoberfläche mit Hilfe des Hall Sensors
5.2 Ergebnisse für multipolare Proben - Messung der Flussdichte an der Magnetoberfläche mit Hilfe des Hall-Sensors
5.2.1 Ergebnisse für strontiumferritgefüllte Proben mit unterschiedlichen Polbreiten
5.2.1.1 Ergebnisse für eine Polbreite von 2.5mm
5.2.1.2 Ergebnisse für eine Polbreite von 5mm
5.2.1.3 Ergebnisse für eine Polbreiten von 10mm
5.2.2 Exkurs: Ergebnisse multipolarer Proben gefüllt mit Samarium-Cobalt
5.2.3 Exkurs: Ergebnisse vierpoliger Proben gefüllt mit Strontiumferrit und Neodym-Eisen-Bor
6 Auswertung der durchgeführten Messungen
6.1 Auswertung der bipolaren Proben
6.1.1 Magnetische Eigenschaften
6.1.2 Flussdichte an der Probenoberfläche
6.2 Auswertung der multipolaren Proben
6.2.1 Ergebnisse für strontiumferritgefüllte Proben mit unterschiedlichen Polbreiten
6.2.2 Exkurs: Auswertung multipolarer Proben gefüllt mit Samarium-Cobalt
6.2.3 Exkurs: Auswertung vierpoliger Proben gefüllt mit Strontiumferrit und Neodym-Eisen-Bor
7 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Studienarbeit ist die detaillierte Untersuchung der magnetischen Kennwerte und Polverläufe bei spritzgegossenen, magnetisch hochgefüllten Kunststoffplättchen (insbesondere basierend auf Polyamid 12 mit Strontiumferrit-Füllung). Die Forschungsfrage fokussiert sich dabei darauf, welchen Einfluss die Compoundrezeptur, die Geometrie der Bauteile sowie die Höhe und Art des angelegten magnetischen Richtfeldes im Spritzgusswerkzeug auf die resultierenden magnetischen Eigenschaften wie Remanenz, Koerzitivfeldstärke und das Energieprodukt haben.
- Magnetische Grundlagen und Materialcharakterisierung (Ferrite, Seltene Erden)
- Prozesskette der Compoundierung und Spritzgussverarbeitung hochgefüllter Kunststoffe
- Einfluss magnetischer Richtfelder auf die Partikelorientierung
- Vergleichende Analyse von bipolaren und multipolaren Probenkonfigurationen
- Untersuchung von Additiven (Fließhilfen, Kristallisationsverzögerer, Silane) auf die magnetische Leistungsfähigkeit
Auszug aus dem Buch
2.3.1 Theoretische Grundlagen für die Hysteresekurve
Die Unterscheidung der Ferromagnetika in hart- und weichmagnetische Stoffe basiert auf der Koerzitivfeldstärke Hc, welche mit Hilfe der Hysteresekurve erklärt werden kann. Diese Kurve, auch als Hystereseschleife bezeichnet, gibt die Abhängigkeit der Flussdichte B von der aufgetragenen magnetischen Feldstärke H wieder. Angetragen wird B an der Ordinate, H an der Abszisse. Diese Abhängigkeit ist für jeden Stoff charakteristisch, womit jedes Material seine spezifische Hystereseschleife besitzt. Diese Kurven werden empirisch ermittelt [16][22].
Bei der Bildung einer Hysteresekurve wird ausgehend von einem magnetisch neutralen Zustand begonnen. Bei diesem Vorgehen kann sowohl das Magnetfeld der Erde, als auch die Tatsache, dass es keinen vollständig entmagnetisierten Stoff gibt, vernachlässigt werden [22]. Ausgehend von diesem Punkt wird ein stetig wachsendes magnetisches Feld angelegt. Die folgenden Beschreibungen werden durch Bild 2.10 veranschaulicht.
Es kommt zur Bildung der sog. Neukurve. Dabei werden die Werte B = f(H) bei erstmaliger Magnetisierung in das Diagramm eingetragen. Den Verlauf der Neukurve bestimmen die reversiblen und irreversiblen Elementarprozesse, die in Kapitel 2.2.4 in Zusammenhang mit den Weiß’schen Bezirken diskutiert wurden. So kommt es bei kleinen Feldstärken zu reversiblen Blochwandverschiebungen. Die Weiß’schen Bezirke, welche in Feldrichtung orientiert sind, vergrößern sich. Wird das Feld abge- schaltet, so geht die Flussdichte B auf Null zurück. Überschreitet die Feldstärke H einen bestimmten Wert, kommt es zu Umklappvorgängen. Hierbei werden alle Weiß’schen Bezirke in Richtung der magnetischen Vorzugsrichtung, also in Kristallgitterrichtung, ausgerichtet. Dabei kommt es zu Drehprozessen um 180° Grad, welche auch nach Ausschaltung des Feldes bestehen bleiben. Wird die Feldstärke noch weiter erhöht, werden die magnetischen Momente entgültig in Feldrichtung gedreht. Der Stoff ist nun bis zur Sättigung aufmagnetisiert. Eine weitere Erhöhung der Feldstärke H würde keine zusätzliche Erhöhung der Flussdichte B mehr erzeugen [5][6][12][22].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Verwendung von kunststoffgebundenen Dauermagneten: Einführung in die Bedeutung und Einsatzgebiete von kunststoffgebundenen Magneten in der Antriebstechnik und im Automobilbereich.
2 Magnetische Grundlagen: Darstellung der physikalischen Phänomene des Magnetismus, von den grundlegenden Kenngrößen bis hin zu Hysteresekurven und der Einteilung von Materialien in hart- und weichmagnetische Stoffe.
3 Versuchsmaterialien und -vorrichtungen: Beschreibung der verwendeten Materialien (Polyamid 12, Ferrite, Seltene Erden) sowie der Anlagen und Verfahren zur Herstellung der Kunststoff-Compounds und Proben.
4 Versuchsdurchführung: Erläuterung des Versuchsaufbaus, der Aufmagnetisierungsmethoden im Spritzgusswerkzeug und der eingesetzten Messanlagen (Hall-Sensor, Permagraph).
5 Ergebnisse der durchgeführten Messungen: Ausführliche Dokumentation und graphische Auswertung der Messergebnisse zu Remanenz, Koerzitivfeldstärke und Energieprodukt für verschiedene Probenvarianten.
6 Auswertung der durchgeführten Messungen: Interpretation der experimentellen Daten hinsichtlich Partikelorientierung, Additiveinfluss und bereichsspezifischer Magnetisierungseffekte.
7 Zusammenfassung: Abschließende Synthese der Erkenntnisse über den Einfluss von Richtfeldern und Rezeptur auf die magnetische Qualität und Anwendbarkeit der Bauteile.
Schlüsselwörter
Kunststoffgebundene Dauermagnete, Polyamid 12, Strontiumferrit, Neodym-Eisen-Bor, Magnetische Richtfelder, Spritzgießen, Hysteresekurve, Remanenz, Koerzitivfeldstärke, Energieprodukt, Partikelorientierung, Magnetische Codierer, Magnetische Flussdichte, Hall-Sensor, Permagraph.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie sich die Zusammensetzung von Kunststoff-Compounds (mit magnetischen Füllstoffen) und die Prozessparameter beim Spritzgießen auf die magnetischen Eigenschaften der resultierenden Bauteile auswirken.
Was sind die zentralen Themenfelder der Studie?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grundlagen des Magnetismus, die Materialeigenschaften von Ferriten und Seltenen Erden, die Prozesstechnik des Spritzgießens unter Einfluss von Magnetfeldern sowie die experimentelle Messung magnetischer Kennwerte.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen Füllstoffanteil, Additiven, Probengeometrie und der Stärke des magnetischen Richtfeldes im Werkzeug zu identifizieren, um die magnetische Leistungsfähigkeit der gefertigten Dauermagnete zu optimieren.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden verschiedene Compounds hergestellt und unter Einsatz von variablen magnetischen Richtfeldern spritzgegossen. Die magnetischen Eigenschaften (Remanenz, Koerzitivfeldstärke, Flussdichte) werden mittels Hall-Sensoren und Permagraphen experimentell erfasst und ausgewertet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Fundierung des Magnetismus, die Beschreibung der Versuchsmaterialien und -vorrichtungen, die detaillierte Versuchsplanung, die Darstellung der Messergebnisse für bipolare und multipolare Proben sowie deren wissenschaftliche Auswertung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Kunststoffgebundene Magnete, Partikelorientierung, magnetisches Richtfeld, Remanenz, Strontiumferrit, Spritzgießen und magnetische Codierer.
Welchen Einfluss haben Additive wie Fließhilfen auf das Ergebnis?
Additive werden eingesetzt, um die Viskosität des Compounds zu senken und das Prozessfenster für die Ausrichtung der magnetischen Partikel zu verlängern, was unter bestimmten Bedingungen zu einer Leistungssteigerung der Magnete führen kann.
Welche Erkenntnis ergibt sich bezüglich der Probenbereiche?
Die Untersuchung zeigt, dass Mittelstücke oft bessere magnetische Werte aufweisen, da die Schmelze dort länger flüssig bleibt, was den Partikeln mehr Zeit zur Ausrichtung im magnetischen Feld gibt, während Randbereiche durch schnellere Abkühlung am Werkzeug beeinträchtigt werden können.
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- Helena Preiß (Author), 2009, Einfluss der Compoundrezeptur auf die Eigenschaften kunststoffgebundener multipolarer Dauermagnete, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/147444
