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28.03.2018 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Elektromotor komplett aus dem 3D-Drucker

Autor:
Dieter Beste

Mithilfe von metallischen und keramischen Pasten – durch ein Extrusionsverfahren schichtweise in Form gebracht und anschließend gesintert – gelang Forschern an der TU Chemnitz die Herstellung eines vollständigen elektrischen Motors im 3D-Druck.

Forscher um Ralf Werner von der TU Chemnitz haben für die Hannover-Messe vom 23. bis 27. April eine geradezu sensationelle Ausstellungspräsentation vorbereitet: Mithilfe eines selbst entwickelten 3D-Multimaterialdruckverfahren gelang es den Wissenschaftlern, alle wichtigen Komponenten einer elektrischen Maschine in einem Druckvorgang herzustellen. Dazu zählen sowohl die elektrischen Leiter aus Kupfer, die zusammen mit Eisen bzw. eisenhaltigen Legierungen die Bildung und Ausrichtung der magnetischen Felder bewirken als auch die elektrische Isolation aus Keramik, die die Leiter untereinander und gegen die als Magnetkreis bezeichneten Teile aus Eisen isoliert. Den prinzipiellen Aufbau elektrischer Maschinen beschreiben die Springer-Autoren Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst und Joachim Kempkes in "Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer" ab Seite 299.

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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Elektrische Maschinen

Antreiben bedeutet die Bewegung von Massen. Zur Einleitung oder Aufrechterhaltung einer Bewegung ist mechanische Energie erforderlich.


Ziel der Arbeit an der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe der TU Chemnitz war es, "die Grenze der Einsatztemperatur von elektrischen Maschinen deutlich nach oben zu verschieben", berichtet Lehrstuhlinhaber Werner. Bereits vor einem Jahr war es den beiden wissenschaftlichen Mitarbeitern Johannes Rudolph und Fabian Lorenz gelungen, eine 3D-gedruckte Spule vorzustellen, die Temperaturen von mehr als 300 °C standhalten kann. Dies erreichen die Chemnitzer 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 °C kann somit deutlich überschritten werden, wodurch die Einsatztemperatur elektrischer Maschinen lediglich durch die ferromagnetischen Eigenschaften des Eisens begrenzt wird, die bis circa 700 °C bestehen bleiben", erläutert Johannes Rudolph. 

Höhere Leistungsdichte elektrischer Maschinen

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 Fabian Lorenz.

Präziser Multimaterialdruck

Grundlage des 3D-Multimaterialdrucks, den die Chemnitzer 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 ihr additives Fertigungsverfahren notwendige Präzision beim Dosieren der Pasten zu erreichen, arbeiten die Wissenschaftler mit der Firma ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik in Töging am Inn zusammen. "Der im Chemnitzer Uni-Labor gedruckte Motor stellt einen Durchbruch dar und ist gleichzeitig der Proof of Principle – also der Machbarkeitsnachweis – für unsere Technologie", sagt Rudolph, der das Verfahren maßgeblich mitentwickelt hat und zusammen mit Lorenz eine Technologie-Ausgründung aus der Universität heraus vorbereitet. 

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