Elek­tro­mo­to­ren im 3D-Druck

Mit­hil­fe von metal­li­schen und kera­mi­schen Pas­ten, die durch ein Extru­si­ons­ver­fah­ren schicht­wei­se in Form gebracht und anschlie­ßend gesin­tert wer­den, gelang For­schern der Pro­fes­sur für Elek­tri­sche Ener­gie­wand­lungs­sys­te­me und Antrie­be an der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Chem­nitz der Druck von voll­stän­di­gen elek­tri­schen Moto­ren . „Erst­mals wer­den wir die­se Welt­neu­heit auf der Han­no­ver Mes­se 2018 prä­sen­tie­ren“, sagt Prof. Dr. Ralf Wer­ner, Inha­ber der Pro­fes­sur. Sei­ne wis­sen­schaft­li­chen Mit­ar­bei­ter Johan­nes Rudolph und Fabi­an Lorenz hat­ten bereits im ver­gan­ge­nen Jahr eine 3D-gedruck­te Spu­le vor­ge­stellt, die Tem­pe­ra­tu­ren von über 300°C stand­hal­ten kann. Inzwi­schen ist es ihnen mit einem selbst­ent­wi­ckel­ten 3D Mul­ti­ma­te­ri­al­druck­ver­fah­ren gelun­gen, alle wich­ti­gen Kom­po­nen­ten einer elek­tri­schen Maschi­ne in einem Druck­vor­gang her­zu­stel­len. Dazu zäh­len die elek­tri­schen Lei­ter aus Kup­fer, die zusam­men mit Eisen bzw. eisen­hal­ti­gen Legie­run­gen die Bil­dung und Aus­rich­tung der magne­ti­schen Fel­der bewir­ken und die elek­tri­sche Iso­la­ti­on aus Kera­mik, die die Lei­ter unter­ein­an­der und gegen die als Magnet­kreis bezeich­ne­ten Tei­le aus Eisen isoliert.

„Ziel der etwa zwei­ein­halb jäh­ri­gen Arbeit war es bis­her, die Gren­ze der Ein­satz­tem­pe­ra­tur von elek­tri­schen Maschi­nen deut­lich nach oben zu verschieben.“
Ralf Wer­ner, Inha­ber der Professur

Dies errei­chen die Chem­nit­zer For­scher, indem sie die kon­ven­tio­nel­len, poly­mer­ba­sier­ten Iso­la­ti­ons­ma­te­ria­li­en durch spe­zi­el­le Kera­mi­ken erset­zen, die eine weit­aus höhe­re Tem­pe­ra­tur­be­stän­dig­keit aufweisen.

„Die zuläs­si­ge Wick­lungs­tem­pe­ra­tur kon­ven­tio­nel­ler Iso­la­ti­ons­sys­te­me von maxi­mal 220 °C kann somit deut­lich über­schrit­ten wer­den, wodurch die Ein­satz­tem­pe­ra­tur elek­tri­scher Maschi­nen ledig­lich durch die fer­ro­ma­gne­ti­schen Eigen­schaf­ten des Eisens begrenzt wird, die bis cir­ca 700 °C bestehen bleiben.“
Johan­nes Rudolph, Mitarbeiter

Neben der höhe­ren Tem­pe­ra­tur­be­stän­dig­keit weist das kera­mi­sche Iso­la­ti­ons­ma­te­ri­al auch eine höhe­re Wär­me­leit­fä­hig­keit auf. Dadurch kann die in den Lei­tern ent­ste­hen­de Ver­lust­wär­me schnel­ler abtrans­por­tiert wer­den. Auf die­se Wei­se errei­chen die Wis­sen­schaft­ler ein wei­te­res wich­ti­ges Ziel ihrer Arbeit: die Erhö­hung der Leis­tungs­dich­te elek­tri­scher Maschi­nen. „Trotz einer pro­zess­be­ding­ten, etwas ver­min­der­ten elek­tri­schen Leit­fä­hig­keit des Kup­fers, ist zudem in spe­zi­el­len Anwen­dungs­fäl­len eine Stei­ge­rung des Wir­kungs­gra­des durch eine deut­li­che Redu­zie­rung der Wick­lungs­tem­pe­ra­tur mög­lich“, ergänzt Lorenz.
Grund­la­ge des Ver­fah­rens, das die Chem­nit­zer For­scher nun zur Markt­rei­fe wei­ter­ent­wi­ckeln wol­len, ist die schicht­wei­se Extru­si­on hoch­vis­ko­ser Pas­ten. Die­se ent­hal­ten Par­ti­kel der gewünsch­ten Mate­ria­li­en wie Eisen, Kup­fer oder Kera­mik und spe­zi­ell zuge­schnit­te­ne Bin­de­mit­tel. Um die für den Mul­ti­ma­te­ri­al­druck not­wen­di­ge Prä­zi­si­on beim Dosie­ren der Pas­ten zu errei­chen, arbei­ten die Wis­sen­schaft­ler mit der Fir­ma Vis­coTec Pum­pen- u. Dosier­tech­nik GmbH in Töging am Inn eng zusammen.
„Der im Chem­nit­zer Uni-Labor gedruck­te Motor stellt einen Durch­bruch dar und ist gleich­zei­tig der Pro­of of Princip­le – also der Mach­bar­keits­nach­weis – für unse­re Tech­no­lo­gie“, ver­si­chert Rudolph, der das Ver­fah­ren maß­geb­lich mit­ent­wi­ckelt hat und zusam­men mit Lorenz eine Aus­grün­dung aus der Uni­ver­si­tät her­aus vor­be­rei­tet. Den aktu­el­len Stand ihrer For­schung wer­den die Wis­sen­schaft­ler vom 23. bis 27. April 2018 auf der Han­no­ver Mes­se am Gemein­schafts­stand „For­schung für die Zukunft“ in Hal­le 2, Stand A38, prä­sen­tie­ren. Dort hof­fen Rudolph und Lorenz wei­te­re Inter­es­sen­ten für ihr neu­es 3D-Mul­ti­ma­te­ri­al­druck-Ver­fah­ren gewin­nen zu können.
Home­page zum The­ma „3D-Mul­ti­ma­te­ri­al­druck“ (inkl. Vide­os): https://www.tu-chemnitz.de/etit/ema/AMMM/index.php
For­schung für die Zukunft auf der Han­no­ver Mes­se: Hal­le 2, Stand A38