Grundlagenforschung: AM4EM-Projekt der Universität Gent, der KU Leuven und des VITO melden erste Erfolge

Seit etwa einem Jahr arbeiten drei hochkarätige Partner diskret an einem strategischen Grundlagenforschungsprojekt, das den Grundstein für die nächsten elektrischen Maschinen legt. Das Projekt ist noch nicht abgeschlossen; die Forschungsorganisationen wollen sich vielmehr ein vertieftes Verständnis für die beteiligten Materialien und Technologien erarbeiten, anstatt überstürzt auszusteigen. Hier ein Status-Update und ein Ausblick.

Additive Manufacturing for Electrical Machines (AM4EM) ist ein ehrgeiziges Forschungsprojekt der Universität Gent, der KU Leuven und des VITO, bei dem es um die Anwendung des 3D-Drucks (Additive Manufacturing) zur Verbesserung der Leistung von elektrischen Maschinen geht. Ziel des Projektes ist es, energieeffizientere – und damit umweltfreundlichere – Elektromotoren (Stator/Rotorkerne) zu entwickeln.

Stellt man sich den perfekten Motor vor, ist dieser oft abhängig von den besten isolierenden und leitenden Materialien, die in der bestmöglichen Ausführung kombiniert werden – bei dem die Wirkung des Stroms optimal in tatsächliche Bewegung umgesetzt wird. Die größte Herausforderung bei der Verwirklichung dieses perfekten Motors besteht darin, diese leitenden und isolierenden Materialien in komplexen Multimaterialgeometrien zu kombinieren. Dies ist eine große Herausforderung, da der 3D-Druck mit mehreren Materialien noch eine sich entwickelnde Technologie ist. Daher müssen alle beteiligten Materialien, alle Drucktechnologien und alle Designs gründlich evaluiert werden.

VITO, eine unabhängige Forschungseinrichtung im Bereich Cleantech und nachhaltige Entwicklung mit Sitz in Flandern, beschäftigt sich seit 2006 mit dem 3D-Drucken. Genauer gesagt erforscht es den 3D-Druck von viskosen, pulverförmigen Pasten, ein unterbelichtetes Segment der additiven Fertigung. Dieser Pastendruck – unter anderem mit Keramiken und Metallen – ist eine der im Projekt verwendeten Technologien.

Es wurden bereits einige wichtige Fortschritte erzielt. Das 3D-Mikroextrusionsdrucken von Kupferpaste hat zu gedruckten Teilen ohne Druckfehler, einer relativen Dichte von 95 – 99 % und einer beeindruckenden elektrischen Leitfähigkeit von 90 – 102 % IACS geführt. Das bedeutet, dass es tatsächlich möglich ist, reines Kupfer mit den für die jeweiligen Anwendungen erforderlichen Eigenschaften zu drucken.

Auch beim 3D-Druck von Fe-Si-Stahl, der für die Kerne der Motoren benötigt wird, wurden positive Ergebnisse erzielt. Der nächste Schritt besteht darin, Multimaterialkombinationen für die Magnetkernstapel zu drucken, wobei sich eine Schicht aus Keramikisolator mit Fe-Si-Stahlschichten abwechselt.

Obwohl die Ergebnisse auf den ersten Blick zufriedenstellend aussehen, gibt es noch Herausforderungen, z. B. im Zusammenhang mit der gleichmäßigen Schrumpfung des Materials und der Verformung der Schichten.

Die KU Leuven ist in der Additiven Fertigungsindustrie sehr bekannt; sie war die Wiege von 2 weltbekannten Unternehmen: Materialise und Layerwise (jetzt 3D Systems). In diesem Projekt konzentrieren sie sich auf die “Fused Filament Fabrication” (FFF) von Metallen und Keramiken. Oder besser gesagt: Sie drucken Polymerfilamente mit einem hohen Anteil an Metall- oder Keramikpulver. Das Polymer im Filament wird nur benötigt, um das Material “druckbar” zu machen, und wird nach dem Druck wieder entfernt. Auch hier besteht die Herausforderung nur zum Teil im 3D-Druck selbst; auch das Entbindern und Sintern erfordert eine sorgfältige Analyse, um die optimalen Parameter wie Temperaturen, Lösungsmittel, Extrusionsbreite oder -geschwindigkeit usw. zu bestimmen.
Auch die Bemühungen der KU Leuven haben zu relativen Dichtergebnissen von über 95 % für Kupfer und 97,3 % für Keramik und sogar für Kombinationen aus beiden Materialien in einem Druck geführt.

Die Universität Gent verfügt über fundiertes Fachwissen im Bereich der multiphysikalischen Modelle für elektrische Maschinen. Das Design der entscheidenden Motorenteile hat einen großen Einfluss darauf, wie die elektrischen Ströme mit dem Magnetfeld interagieren, um ein Drehmoment zu erzeugen. Folglich bestimmen die Konstruktionsdetails in hohem Maße, wie effizient eine Maschine letztendlich sein wird. Die von der Universität neu entworfenen Kerne unterscheiden sich stark von den konventionellen:

Mit ein wenig MINT-Erfahrung, sieht man bereits hier, dass diese intelligenten Konstruktionen einen großen Unterschied bei der Effizienz des resultierenden magnetischen Flusses ausmachen können.

Diese kombinierten Anstrengungen – für verschiedene Drucktechniken, Design- und Materialverbesserungen – werden innovative MM-AM-Prozesse hervorbringen, die für Sensoren, Radare, Aktoren, elektrische Maschinen usw. eingesetzt werden können. Letztendlich zielt AM4EM auf eine Steigerung der Energieeffizienz um 5 %-Punkte (im Vergleich zu kleinen Induktionsmaschinen) und eine Erhöhung der Leistungsdichte um 40 % ab.

Bislang sieht es so aus, als würde das Projekt genau das erreichen. Die grundlegenden Forschungs- und Entwicklungsschritte, die im Rahmen des AM4EM-Projekts unternommen werden, sind letztlich unerlässlich, um den Energieverbrauch unserer Gesellschaft als Ganzes zu senken.

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