Supermagnete aus dem 3D-Drucker

Ob in Windkraft­anlagen, Elektromotoren, Sensoren oder magne­tischen Schalt­systemen: Dauermagnete sind in vielen elektrischen Anwendungen verbaut. Gefertigt werden sie zumeist durch Sintern oder im Spritzguss-Verfahren. Durch die zunehmende Minia­turisierung der Elektronik und den damit einher­gehenden geometrischen Anforderungen an Magnete stoßen diese herkömmlichen Produktions­methoden immer öfters an ihre Grenzen. Additive Fertigungs­technologien hingegen bieten die notwendige Gestaltungs­freiheit, um Magnete herzu­stellen, die an die jeweiligen Anforderungen optimal angepasst sind.

Forscher der TU Graz ist es nun gemeinsam mit Kollegen der Univer­sitäten Wien und Erlangen-Nürnberg sowie mit einem Team von Joanneum Research gelungen, Supermagnete mittels laser­basiertem 3D-Druck herzustellen. Dabei wird Metallpulver des magnetischen Materials schicht­weise aufgetragen, die Partikel werden durch Schmelzen miteinander verbunden. So entsteht ein Bauteil, das zur Gänze aus Metall besteht. Das Verfahren ist derart ausgereift, dass die Forscher Magnete mit hoher relativer Dichte drucken und zugleich deren Mikro­struktur kontrollieren können. „Die Kombination dieser beiden Eigenschaften garantiert einen effizienten Material­einsatz, weil wir damit die magnet­ischen Eigenschaften exakt auf die jeweilige Anwendung zuschneiden können“, so Siegfried Arneitz und Mateusz Skalon vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz.

Die Forschungs­gruppe konzentrierte sich zunächst auf die Produktion von Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB). Neodym zählt zur Gruppe der Seltenen Erden und bildet aufgrund seiner chemischen Eigen­schaften die Basis für viele starke Dauermagnete, die in Computern, Smartphones und anderen wichtigen Anwendungen unersetzlich sind. Es gibt jedoch auch Anwendungen wie beispiels­weise elektrische Bremsen, Magnet­schalter oder bestimmte Elektro­motorsysteme, in denen die magnetische Stärke von NdFeB-Magneten nicht benötigt und auch nicht gewünscht ist.

Doktorand Siegfried Arneitz setzt deshalb die Arbeit an 3D-gedruckten Magneten fort – aufbauend auf den bisherigen Forschungs­ergebnissen. In seiner Dissertation widmet sich Arneitz dem 3D-Druck von eisen- und kobalt­basierten Magneten (Fe-Co-Magnete). Dabei handelt es sich um vielver­sprechende Alternativen zu NdFeB-Magneten. In doppelter Hinsicht: Der Abbau von Seltenen Erden ist aufwendig und wenig nachhaltig, das Recycling dieser Metalle steckt noch in den Kinder­schuhen. Fe-Co-basierte Magnete hingegen sind für die Umwelt weit weniger bedenklich.
Außerdem verlieren Seltenerd­metalle mit steigender Temperatur ihre magnetischen Eigen­schaften, während spezielle Fe-Co basierte Legierungen selbst bei Temperaturen von 200 bis 400 Grad Celsius ihre magnetische Leistung behalten und sich durch eine gute Temperatur­stabilität auszeichnen.

Erste Ergebnisse stimmen Arneitz zuver­sichtlich: „Bisherige theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass die magne­tischen Eigenschaften dieser Materialien sogar um das Doppelte bis Dreifache gesteigert werden können. Mit der Gestaltungs­freiheit, die der 3D-Druck bietet, sind wir zuversichtlich, diesem Ziel näher kommen zu können. In Kooperation mit verschiedenen Instituten werden wir weiter an diesem Thema arbeiten, um zukünftig für jene Bereiche alternative Magnet­werkstoffe anbieten zu können, in denen Neodym-Eisen-Bor-Magneten nicht notwendig sind.“

TU Graz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Skalon et al.: Influence of Melt-Pool Stability in 3D Printing of NdFeB Magnets on Density and Magnetic Properties, Materials 13, 139 (2020); DOI: 10.3390/ma13010139
• Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik, Technische Universität Graz