Ein vollständiger Elektromotor aus dem Drucker

Mithilfe von metallischen und keramischen Pasten, die durch ein Extru­sions­ver­fahren schicht­weise in Form gebracht und anschlie­ßend gesin­tert werden, gelang Forschern der TU Chemnitz der Druck von voll­stän­digen elek­tri­schen Motoren. Bereits im ver­gan­genen Jahr hatte das Team eine 3D-ge­druckte Spule vor­ge­stellt, die Tempe­ra­turen von über drei­hundert Grad Celsius stand­halten kann. Inzwi­schen ist es den Wissen­schaft­lern 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 oder 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“, berichtet Team­leiter Ralf Werner. Das erreichen die 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 Grad Celsius kann somit deut­lich über­schritten werden, wodurch die Ein­satz­tempe­ratur elek­tri­scher Maschinen ledig­ich durch die ferro­magne­tischen Eigen­schaften des Eisens begrenzt wird, die bis circa 700 Grad Celsius bestehen bleiben“, fügt Team-Mit­glied Johannes Rudolph hinzu.

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“, sagt Team-Mitglied Fabian Lorenz.

Grundlage des Verfahrens, das die 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- und Dosier­technik GmbH in Töging am Inn zusammen. „Der gedruckte Motor stellt einen Durch­bruch dar und ist gleich­zeitig der Mach­bar­keits­nach­weis für unsere Techno­logie“, so Rudolph.

TU Chemnitz / RK