键合磁体中的有图案磁极构型

在日常塑料内部塑造磁场

人们通常把磁体想象成简单能吸附在金属上的实体块。但从小型电机到软体机器人夹持器等许多新兴设备，需要在单个零件内部不同位置具有不同强度和方向的磁体。本文展示了一种通过基于激光的 3D 打印工艺，将这种有图案的磁体直接“打印”到塑料中的方法，从而为将定制形状的磁场内嵌到日常部件中打开了可能。

为什么可打印磁体很重要

传统磁体先大批量制造，然后切割并组装成复杂的排列。这种方式对简单电机可行，但当器件变小或形状更复杂时，装配就变得笨拙、昂贵，甚至不可能。增材制造（即 3D 打印）提出了另一种思路：将磁性颗粒混入塑料中，打印出几乎任意形状，并由塑料把各部分固定在一起。已有研究表明可以通过若干技术打印磁体，但零件内的磁性通常是均匀的。本研究的目标更为雄心勃勃——在一次连续打印中，构造出内部不同区域具有不同强度、磁极指向各异的磁体。

改造更智能的 3D 打印机

研究人员改装了一台选择性激光烧结系统，这是一种用激光逐层熔融粉末的 3D 打印形式。他们以尼龙粉作为基体塑料，并加入了精心挑选的磁性粉末：一种“硬”磁体（NdFeB），能保持其磁化，以及两种“软”磁体（FeSi 和 FeCo），它们在外场存在时响应强烈但在外场移除后几乎失去剩余磁性。激光在粉床上方绘制每一层零件。粉床下方，定制电磁铁在粉末熔化期间及之后施加受控磁场。此外，一套微型料斗和吸嘴沿铺粉刮刀移动，使得在精确位置可以移除并补充特定的磁性粉末。最终得到的是一根打印出的塑料条，内部嵌入由不同材料组成并在不同场向下暴露的“磁性岛屿”。

在磁性景观中看见图案

为了评估该策略的效果，团队制作了在两端含有两个磁性岛屿的简单条状样件，有时两端使用相同的硬磁材料，有时将硬磁体与一种软材料配对。然后他们用探针测量表面磁场，并使用一层薄薄的磁性流体（一种会附着在磁区的液体）来可视化磁力线的出入口。即使在打印完成后、未经强烈后处理的状态下，样条也显示出清晰的非均匀极性图案。通过简单改变打印期间施加的外场方向，研究人员可以使条的一端呈现类似北极的区域，而另一端呈现类似南极的区域，或将某一区域分割成更复杂的多极排列。

增强磁强度

仅靠打印产生的磁场较弱，因此研究人员接着将样件置于一台强磁化设备中，类似于通常激活永久磁体的方法。在约 1.5 到 1.9 特斯拉的磁化强度下，硬磁体区域的局部磁通值增加了数倍。对于含有 NdFeB 与 FeSi 或 FeCo 的条状样件，面向“北向”的区域强度大约达到了打印态的四到十倍，而软磁区域仍几乎不表现永久磁性。当在额外外场下检查样品时，这两种组合都产生了强烈且界定清楚的南北区分——量级为数十毫特斯拉——同时保留了打印时设定的空间图案。即便在外场方向反转时，这些条也保留了在激光烧结步骤中压印下去的优先“易轴”，即一种方向性偏好。

从实验室样条到未来机器

综上实验验证了研究的核心理念：3D 打印不仅能塑造磁体外形，也能对其内部磁性景观进行图案化。通过在打印过程中即时控制不同粉末的布置并配合时序精确的外加磁场，团队展示了键合磁体的极性和强度可按可编程方式变化。虽然目前的样品只是简单的条形体，但相同方法可扩展到更复杂的形状和多种磁性材料。对非专业读者而言，关键信息是：未来的磁体可能像复杂电路板一样被打印，具有在所需位置引导、聚拢或抵消磁场的区域，从而推动更纤薄的电机、更高效的磁悬浮，以及能按需弯曲或抓取的软体装置的实现。

引用: Behera, M.P., Lv, Y. & Singamneni, S. Patterned magnetic pole configurations in bonded magnets. Sci Rep 16, 13102 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43131-5

关键词: 3D 打印磁体, 选择性激光烧结, 磁场图案化, 键合磁性复合材料, 能量耦合制造