Kunststoffgebundene Dauermagnete

Legende

1	Gebildet aus angenäherten Mindestwerten von (B * H)max und HcJ nach DIN IEC 60404-8-1. Combined of approximated minimum values of (B * H)max and HcJ according to DIN IEC 60404-8-1. Composé de valeurs minimales (B * H)max et HcJ suivant DIN IEC 60404-8-1.
2	PA = Polyamid/ Nylon NBR = Nitril-Butadien-Kautschuk EPH = Expoxydharz/Resin PPS = Polyphenylensulfid
3	Vorzugsrichtung zur Kalandrierrichtung. Prefered axis to rolling direction. Sens préférentielle d’ aimantation au sens de calandrage.
4	Spanabhebend bearbeitbar. Machinable by cutting. Usinable par enlèvement de copeaux.
5	Die maximale Einsatztemperatur ist abhängig von der Anwendung, von der Magnettype sowie der Magnetgeometrie. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte unsere Anwendungstechniker. The maximum operating temperature for a magnet matrials is dependent upon the specific application and magnet geometry. Do not hasitat to contact our Application Engineers for more information. La température maximale d’utilisation d’un aimant dépend de son application spécifique ainsi que de sa géométrie. N’hésitez pas à prendre contact avec nos ingénieurs d’application pour plus d’informations.
6	Angegebene Werte nur bei optimalen Abmessungen: Kürzeste Kante > 8 mm, Volumen 1 – 200 cm³. Indicated values only with optimum dimensions: shortest edge > 8 mm, volume 1 – 200 cm³. Valeurs uniquement pour dimensiones optimales côté le plus court > 8 mm, volumes 1 – 200 cm³.
7	t.b.d. noch festzulegen to be defined à établir n.a. nicht angegeben / anwendbar not applicable pas applicable
8	Mindestwerte. Minimum values. Valeurs minimales.

Bei kunststoffgebundenen Magneten ist der magnetische Funktionswerkstoff, d.h. ein magnetisierbares Material als feines Pulver in eine Kunststoffmatrix eingebunden. Die Magnete werden mit gängigen Methoden der Kunststofftechnik hergestellt, wobei der Spritzguss die komplexeste Formgebung erlaubt.

Im Spritzguß lassen sich sehr komplexe Formen gestalten und damit das Magnetfeld für die spezifische Anforderung formen. Durch einen hohen Automatisierungsgrad erreicht man die niedrigsten Herstellkosten und eine Entkopplung von den in Deutschland sehr hohen Lohnkosten. Hier ist aber zu berücksichtigen, dass die Formen  (Werkzeuge) als einmaliger Betrag recht kostenintensiv sind. Aus Qualitätssicht stellt der Spritzguß einen extrem gut zu steuernden Prozess dar, was die Reproduzierbarkeit von Großserien erst ermöglicht.

Durch den Volumenanteil des Kunststoffes ist der Werkstoff „verdünnt“ also weniger stark als gesinterte Materialien. Dies ist aber beispielsweise in der Sensorik auch ein Vorteil, da zu starke Magnete wegen des Streufeldes und mechanischer Wirkung nicht gewünscht sind. Darum finden sich kunststoffgebundene Magnete in der elektronischen Erkennung von Bewegung und Position sowie bei Kleinstantrieben.

Alle Arten der Formgebung in der Kunststofftechnik können auch auf kunststoffgebundene Magnete angewendet werden. Die Extrusion und die Kalandrierung erzeugt Stränge oder Platten als Halbzeuge, aus denen dann die endgültige Form gestanzt werden kann. Dies ist eher im technisch einfachen Segment für Werbemagnete und Kühlschrankmagnete genutzt.  Komplexere Formen für moderne kunststoffgebunden Fangmagnete sind auf diese Weise nur durch weitere Bearbeitungsschritte realisierbar. Siehe exemplarisch:“Spänefangmagnete in Getrieben“

Magnetisch und geometrisch anspruchsvolle Teile werden im Spritzgussverfahren hergestellt. Besondere Vielfalt ergibt sich aus der Möglichkeit, Einlegeteile zu umspritzen, aber auch dadurch, dass eine Vorzugsrichtung bzw. spezielle Polmuster im gleichen Prozess erzeugt werden können.

Grundsätzlich können alle Legierungen mit magnetischem Potential in oder zu kunststoffgebundenen Dauermagneten verarbeitet werden. Aktuell sind die Legierungen Strontiumferrit, Neodym-Eisen-Bor (NeFeB), Samarium-Eisen-Kobalt (SmCo) sowie Samarium-Eisen-Stickstoff (SmFeN) industriell genutzt.

Kunststoffgebundene Magnete sind grundsätzlich magnetisch schwächer aufgrund der „Verdünnung“ des Magnetwerkstoffes mit Kunststoff. Dem stehen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber. Beim Spritzguss eine extreme Gestaltungsmöglichkeit und eine hervorragende Prozessfähigkeit, die hohe Qualität bei einer Massenproduktion erlaubt. Auch die Herstellkosten sind bei großen Mengen sehr vorteilhaft.

Bei den eingebundenen Magnetwerkstoffen sind zwei Klassen zu unterscheiden. Die kostengünstigen Hartferrite und die sehr viel stärkeren Seltenerdwerkstoffe.  Der Kunststoff als Binder führt zu einer „Verdünnung“ der magnetisch wirksamen Anteile im Bauteilvolumen und damit zu einer magnetischen Reduktion   des Momentes in der Größenordnung des Volumenanteils des Kunststoffes. Bei typisch 70 Vol% an Magnetmaterial hat der kunststoffgebundene Werkstoff also grob 70% des magnetischen Momentes verglichen zu einem gleich großen Magneten aus reinem Magnetwerkstoff.

Im Spritzgussverfahren lassen sich die komplexesten Magnetformen mit den engsten Toleranzen darstellen. Auch ist der Spritzguss durch Mehrfachformen auf hohe Stückzahlen skalierbar und die Herstellkosten sind im Allgemeinen günstiger als bei formgepressten Magneten. Als Binder ist ein Thermoplast im Einsatz. Gepresste Magnete erreichen bei einem duroplastischen Binder etwas höhere Fülldichten und damit höhere magnetische Werte.

Für Dauermagnetische Werkstoffe gibt es die Norm DIN IEC 60404-8-1, in der die magnetischen, aber auch mechanische Eigenschaften definiert sind. Diese hatte die alte noch oft zitierte DIN 17410 schon 2003 abgelöst. Die Anforderung an die technische Darstellung von Magneten sind in der DIN SPEC 91411 beschrieben.  Beide Normen beziehen sich sowohl auf kunststoffgebundene als auch auf 100% dichte gesinterte oder gegossene Werkstoffe.

Wenn Sie die magnetischen Anforderungen genau benennen können, lässt sich die grundsätzliche Einsetzbarkeit verschiedener Materialklassen oft durch Simulationen präzise eingrenzen. Grundsätzlich sollten Seltenerdwerkstoffe nur dann gewählt werden, wenn dies magnetisch auch wirklich benötigt wird. Aus unserer Erfahrung sind in Sensoranwendungen fast immer Hartferrite von der Stärke ausreichend. Sollte die Stückzahl groß genug sein, dass ein Spritzgusswerkzeug finanzierbar ist, wäre ein kunststoffgebundener Werkstoff wahrscheinlich die beste Wahl.

Die „Magnetstärke“ definiert der Anwender typisch als Feldstärke, die an einem Punkt über dem Magnet benötigt wird. Dies hängt mit den Werkstoffkennwerten der Werkstoffe, aber auch mit den geometrischen Größen und in erster Linie mit dem Abstand zum Magneten zusammen.
Grundsätzlich lassen sich die Felder, die in der berührungslosen Positionserkennung (Sensorik) von Halbleiterbausteinen (Sensoren) benötigt werden, mit kunststoffgebundenen Ferritmagneten erreichen. Für Anwendungen in Motoren, Generatoren oder mechanischen Halterungen sind kunststoffgebundene Magnete aufgrund der Schwächung durch die Einbettung nur dann zu empfehlen, wenn dieser Nachteil beispielsweise bei Kleinantrieben durch die Formgebung und Verarbeitbarkeit kompensiert wird.

Alle Magnete weisen einen Temperaturgang auf, so dass z.B. bei Ferriten eine um 100° erhöhte Bauteiltemperatur die Magnetisierung um knapp 20% reversibel reduziert. Wenn die Anwendung für einen entsprechenden Feldbereich ausgelegt ist, sind weiterhin irreversible Abnahmen der Magnetisierung über Temperatur und Zeit zu berücksichtigen. Dies gilt allgemein bei Magneten. Bei kunststoffgebundenen Magneten kommt weiterhin die Limitierung durch den Binder hinzu. Bis ca. 100°C sind Elastomere einsetzbar, bei den Thermoplasten sind Polyamiode bis ca. 150°C einsetzbar und mit PPS als Binder kann diese Grenze noch auf ca. 180°C ausgeweitet werden.

Alle Magnetpulver auf Seltenerd-Basis, also auch „Neodym-Pulver“ welches vereinfacht für eine Legierung aus Neodym, Eisen und Bor steht, sind von den Ressourcen begrenzt und kommen aus wenigen Regionen auf der Welt. Entsprechend hoch und volatil sind die Kosten, mit denen man sich die besseren magnetischen Werte erkauft. Aber es gibt auch technische Argumente für die Hartferrite als magnetische Basis. So sind diese chemisch sehr stabil und korrosionsresistent, während Seltenerdmetall auch mal als Feuerstein dient.

Hier ist eine Vielzahl an Schichtsystemen für spezielle Anwendungen im Einsatz, von galvanischen Schichten auf Sintermagneten (Ni, Sn, Cr) über einfache Lacken z.B. PU-Lack, bis hin zu Spezialbeschichtungen, z.B. Parylene für medizinische Produkte. Zum, Glück benötigen aber die kunststoffgebundenen Magnete oft keine Schutzschicht, da der Kunststoff z.B. beim Spritzguss als dünne Haut schon für einen gewissen Schutz sorgt, wobei Hartferrite auch ohne diesen Schutz auskämen.

Es gibt vier Arten, einen Magneten zu schwächen oder gar zu zerstören, die in den meisten Anwendungen auslegungsrelevant sind. Mechanische Zerstörung, Temperatur, Korrosion bzw. chemische Zerstörung oder eine Schwächung oder Entmagnetisierung im Gegenfeld.  Andere Effekte, z.B. durch Radioaktivität, kommen nur in gesonderten Anwendungen vor.
Wenn man Magnete vor diesen Einflüssen schützt, sind Dauermagnete ein technisches Leben lang haltbar. Wissenschaftlich wird unter magnetischer Alterung ein Phänomen beschrieben, dass über die Zeit die Magnetisierung abnimmt. Dieser Effekt ist bei gemäßigten Temperaturen bei den heutigen Werkstoffen kaum von technischer Bedeutung, sodass eine Limitierung der Lebensdauer praktisch nicht gegeben ist.

Ja, magnetisch gleichwertige Alternativen zu einem kunststoffgebundenen anisotropen Hartferrit ist beispielsweise ein gesinterter isotroper Hartferrit. Jedoch schlägt das Pendel bei gleichen magnetischen Werten aufgrund der vielen Vorteile der kunststoffgebundenen Magnete dann meist auf die andere Seite der Alternative aus, d.h. gesinterte Hartferrite werden bei Neudesign gerne durch kunststoffgebundenen Hartferrite ersetzt.

Wenn man auf Standards zurückgreifen kann, sind die Mindestbestellmengen eher kaufmännischer Natur. Bei der Magnetfabrik Bonn GmbH ist ein Mindestbestellwert für Lagerartikel im niedrigen dreistelligen Bereich.
Kritischer wird es bei kundenspezifischen Teilen, für die ein eigenes Werkzeug erstellt werden muss. Da kann es schon sein, dass eine Form bei 10.000 Magneten pro Jahr kaum lohnt.  Zum Glück lassen sich kunststoffgebundene Werkstoffe besser bearbeiten als Sintermagnete, so dass man kleine Mengen manchmal auch aus größeren Teilen herausarbeiten kann. Oft wird dann dennoch eine teilespezifische Magnetisiervorrichtung benötigt, so dass auch hier Werkzeugkosten entstehen können.

Ja, das ist der große Vorteil, dass gerade Magnete im Spritzguss in fast jeder Form hergestellt werden können.

Auch auf diese Frage ist es schwer, allgemein zu antworten. Wenn eine Spritzgussform benötigt wird, sind oft Erstellungszeiten von vielen Monaten nötig. Auch für spezielle Magnetisierspulen kann schon mal eine Lieferzeit von z.B. 8 Wochen nötig sein.  Es ist also immer sinnvoll, den Hersteller schon früh im Projekt einzubeziehen, um das richtige Teil zum richtigen Zeitpunkt in der Entwicklung zur Verfügung zu haben.

Hersteller haben typisch ein zertifiziertes Qualitätsmanagementsystem., Durch die gute Prozessfähigkeit im Spritzguss kann sichergestellt werden, dass die 0ppm Philosophie zuversichtlich auf ein Serienprodukt angewendet werden kann, ohne dass eine 100% Prüfung der Teile nötig ist.

Bei den kunststoffgebundenen Hartferriten ist der Kunststoff gegebenenfalls ein Material, dessen Volatilität eine grosse Rolle spielt. Die Hartferrite werden über viele Jahre kontinuierlich teurer aufgrund des Energieverbrauchs in der Herstellung, aber sie stellen keine knappe Ressource dar.
Bei den Seltenerdmagneten hat es aber auch schon die Situation gegeben, dass der Rohstoffpreis beispielsweise für Neodym oder Dysprosium über kürzeste Zeit um den Faktor 10 oder mehr stieg. Mit diesem Risiko und der Abhängigkeit von den Ressourcen weniger Länder erkauft man sich die hohen magnetischen Werte, wenn man sie benötigt. Bei Sensoranwendungen sollte es daher immer das Ziel sein, auf Seltenerdfreie Alternativen hin zu entwickeln. Dabei unterstützen wir Sie gerne.