Forscher entwickeln neue Methode zum 3D-Drucken von Magnetkernen für elektrische Maschinen

Forscher der Technischen Universität Tallinn und der Estnischen Universität für Biowissenschaften untersuchen den Einsatz der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung weichmagnetischer Kerne.

Magnetkerne sind Stücke aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität. Sie werden üblicherweise zum Führen und Lenken von Magnetfeldern in einer Vielzahl elektrischer Systeme und Maschinen verwendet, darunter Elektromagnete, Transformatoren, Elektromotoren, Generatoren, Induktoren und andere magnetische Baugruppen.

Bisher stellte der 3D-Druck weichmagnetischer Kerne eine große Herausforderung dar, da es schwierig war, die Kerneffizienz aufrechtzuerhalten. Das Forschungsteam hat nun einen umfassenden laserbasierten additiven Fertigungsablauf vorgeschlagen, der seiner Meinung nach zu überlegenen magnetischen Eigenschaften bei weichmagnetischen Verbundwerkstoffen führen kann.

3D-Druck elektromagnetischer Materialien

Die additive Fertigung von Metallen mit elektromagnetischen Eigenschaften ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet. Die Forschungsgemeinschaft für elektrische Maschinen beginnt nun mit der Entwicklung und Integration eigener 3D-gedruckter Komponenten in Systeme und nennt die Designfreiheit als großen Vorteil für Innovationen.

Beispielsweise könnte der 3D-Druck funktioneller komplexer Teile mit magnetischen und elektrischen Eigenschaften den Weg für kundenspezifische Maschinen mit eingebetteten Motoren, Aktoren, elektrischen Schaltkreisen und Getrieben ebnen. Solche Maschinen könnten in digitalen Fertigungsanlagen mit minimalem Montage-, Nachbearbeitungs- und Materialabfall hergestellt werden, wobei viele der beweglichen Komponenten in 3D gedruckt würden.

Leider ist der 3D-Druck großer Teile komplexer elektrischer Maschinen aufgrund mehrerer Faktoren immer noch nicht Realität. Diese Geräte stellen häufig anspruchsvolle Anforderungen wie kleine Luftspalte für eine verbesserte Leistungsdichte, ganz zu schweigen von der Notwendigkeit von Baugruppen aus mehreren Materialien.

Daher konzentrierte sich die Forschung bisher hauptsächlich auf „grundlegendere“ Teile wie 3D-gedruckte weichmagnetische Rotoren, Kupferspulen und Aluminiumoxid-Wärmeleiter. Weichmagnetische Kerne sind ebenfalls von großem Interesse, aber die Minimierung des Kernverlusts im 3D-Druckprozess ist eine Hürde, die noch genommen werden muss.

Ein optimierter 3D-Druck-Workflow

Mit dem Ziel, einen optimierten 3D-Druck-Workflow für Magnetkerne vorzustellen, ermittelten die Forscher die besten Prozessparameter für die Anwendung, darunter Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Schraffurabstand und Schichtdicke.

Das Team untersuchte auch die Auswirkungen von Glühparametern, um minimale Gleichstromverluste, quasistatische Verluste, Hystereseverluste und höchste magnetische Permeabilität zu erreichen. Als optimale Glühtemperatur wurde 1200 °C ermittelt, was zu der höchsten relativen Dichte von 99,86 %, der niedrigsten Oberflächenrauheit von 0,041 mm, minimalen Hystereseverlusten von 0,8 W/kg und einer endgültigen Streckgrenze von 420 MPa führte.

Letztendlich haben die estnischen Forscher gezeigt, dass die laserbasierte additive Metallfertigung eine praktikable Methode zum 3D-Drucken von Magnetkernmaterialien für elektrische Maschinenanwendungen ist.

Was die zukünftige Arbeit betrifft, beabsichtigt das Team, die Mikrostrukturen der Teile zu charakterisieren, um Einblicke in die Korngröße und Kornorientierung sowie deren Auswirkungen auf die magnetische Permeabilität und Stärke zu gewinnen. Die Forscher werden außerdem weiter nach Möglichkeiten suchen, die Geometrien der 3D-gedruckten Kerne für eine verbesserte Leistung zu optimieren.

Weitere Einzelheiten der Studie finden Sie in der Veröffentlichung mit dem Titel „Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process for Electrical Machine Applications“.

Die Kombination von 3D-Druck und Magnetismus ermöglicht eine ganze Reihe neuartiger Anwendungen, die über die rein elektrische Maschine hinausgehen. Anfang des Jahres nutzte ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung des Cavendish Laboratory der Universität Cambridge den 3D-Druck, um eine Reihe mikroskopisch kleiner Nanomagnete zu entwickeln. Die mithilfe eines benutzerdefinierten 3D-Druckverfahrens hergestellten Nanomagnete haben die Form einer DNA-inspirierten Doppelhelix und sind vielversprechend in Bereichen wie dem Einfangen von Partikeln, Bildgebungstechniken und intelligenten Materialien.

An anderer Stelle haben Forscher des IMDEA Nanoscience Institute, einem interdisziplinären Forschungszentrum in Spanien, kürzlich eine neue Methode zum 3D-Drucken von Magneten aus recycelten Materialien entwickelt. Die Arbeiten wurden als Reaktion auf die durch die COVID-19-Pandemie verursachten Probleme in der Lieferkette durchgeführt, die dazu führten, dass es im verarbeitenden Gewerbe an vielen Materialien mangelte, darunter auch an den für die Herstellung von Magneten erforderlichen Materialien.

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Das abgebildete Bild zeigt einen Ferritinduktor mit einem Magnetkern, der von einer Kupferspule umgeben ist. Bild über Jurgis Mankauskas.

Kubi Sertoglu hat einen Abschluss in Maschinenbau und verbindet eine Affinität zum Schreiben mit einem technischen Hintergrund, um die neuesten Nachrichten und Rezensionen zur additiven Fertigung zu liefern.