Gedruckter Elektromotor

Herstellung von Elektromotoren im 3-D-Multimaterialdruck

03.04.17 | Redakteur: Sebastian Gerstl

Keramisch isolierte Spule während des 3D-Druckvorgangs. Mit einem 3-D-Multimaterialdruckverfahren verfolgen zwei wissenschaftliche Mitarbeiter der TU Chemnitz einen optimierten Prozess zur Fertigung von Elektromotoren.
Keramisch isolierte Spule während des 3D-Druckvorgangs. Mit einem 3-D-Multimaterialdruckverfahren verfolgen zwei wissenschaftliche Mitarbeiter der TU Chemnitz einen optimierten Prozess zur Fertigung von Elektromotoren. (Bild: TU Chemnitz / Uwe Meinhold und Fabian Lorenz)

Wissenschaftliche Mitarbeiter der TU Chemnitz arbeiten an einem generativen Fertigungsprozess für Elektromotoren. Mit einer Materialpaarung aus metallischen und keramischen Pasten, die gemeinsam im 3-D-Druckverfahren eingesetzt werden, sollen sich Motoren nicht nur schnell und günstig produzieren, sondern auch einzelne Bauteile gezielt optimieren lassen.

Elektromotoren werden heute in fast jedem Bereich eingesetzt. Dies betrifft Produkte, mit denen wir im täglichen Leben in Berührung kommen, wie Haushaltsgeräte, Kameras, Laptops und Kraftfahrzeuge. Aber auch Antriebsmaschinen für industrielle Produktionsanlagen kommen ohne Elektromotoren nicht aus. Um die Leistungsdichte von Elektromotoren jedoch deutlich steigern zu können, wie es zum Beispiel für Elektrofahrzeuge notwendig ist, sind völlig neue Herangehensweisen notwendig.

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter: Fabian Lorenz (links) und Johannes Rudolph beim Einrichten des neuen Multi-Materialdruckers in Leichtbauweise, der bis zu drei Werkstoffe parallel verarbeitet und höhere Druckgeschwindigkeiten erreicht.
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter: Fabian Lorenz (links) und Johannes Rudolph beim Einrichten des neuen Multi-Materialdruckers in Leichtbauweise, der bis zu drei Werkstoffe parallel verarbeitet und höhere Druckgeschwindigkeiten erreicht. (Bild: TU Chemnitz / Uwe Meinhold und Fabian Lorenz)

Dieses Ziel verfolgen Johannes Rudolph und Fabian Lorenz, beide sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe. Sie wollen mithilfe des 3-D-Drucks nicht nur bereits bestehende Teile kopieren, sondern dessen Potential für die Fertigung von elektrischen Maschinen nutzen. Mithilfe von metallischen und keramischen Pasten, die durch ein Extrusionsverfahren schichtweise in Form gebracht und anschließend gesintert werden, streben die Chemnitzer Forscher den Druck von vollständigen elektrischen Motoren an.

Dieser Ansatz bietet gleich mehrere Vorteile: "Die keramische Isolation der elektrischen Leiter erlaubt eine deutlich höhere Einsatztemperatur bei gleichzeitig besserer Wärmeleitung, wodurch sich die Leistungsdichte steigern lässt. Zusätzlich können Kühlkanäle dort integriert werden, wo die Verlustwärme entsteht, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen", erläutert Rudolph. "Zudem wird durch das von uns weiterentwickelte 3D-Druckverfahren die Herstellung von Maschinentypen möglich, die naturgemäß eine sehr hohe Leistungsdichte haben", ergänzt Lorenz.

Die Chemnitzer haben dabei besonders Transversalflussmaschinen im Blick, deren Produktion bisher zu aufwändig ist. Diese erreichen deutlich höhere Kraftdichten als die derzeit eingesetzten Radialflussmaschinen und benötigen keine teuren Magnete aus seltenen Erden.

Die Herstellung von keramisch isolierten Spulen ist den beiden Wissenschaftlern bereits gelungen. "Die größte Hürde auf dem Weg zum gedruckten Elektromotor ist damit genommen, da diese Materialpaarung aufgrund der sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Keramik und Kupfer eine besondere Schwierigkeit darstellt", sagt Werner.

Zur Zeit arbeiten die Forscher daran, die dritte Komponente – nämlich das magnetisch aktive Eisen – in den Druckprozess zu integrieren. Durch das Verfahren entfallen das aufwändige Paketieren der Elektrobleche und das Einbringen der Wicklung, wie es zurzeit bei der Fertigung von Elektromoren notwendig ist. Gleichzeitig wird auch die dreidimensionale Führung der magnetischen Flüsse, die zur Erzeugung des Drehmoments erforderlich sind, möglich. Neben der Fertigung von elektrischen Maschinen ist der 3-D-Multimaterialdruck auch für andere Technikbereiche interessant. So eröffnen sich zum Beispiel bei der Herstellung von Wärmetauschern ganz neue Möglichkeiten, da das Verfahren die Integration von Kühlgeometrien erlaubt, die mit anderen Fertigungstechnologien nicht herstellbar sind.

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