22. Januar 2019 
 
23. April 2018

Hannover Messe: Vollständige Elektromotoren im 3D-Druck

Mithilfe von metallischen und keramischen Pasten gelang Forschern der TU Chemnitz erstmals der Druck von vollständigen elektrischen Motoren. Mit dem neuen Verfahren können "nahezu beliebige Motorgeometrien realisiert werden", erklärt Prof. Dr. Ralf Werner, Inhaber der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe, im Gespräch mit DIE MESSE.

Foto: TU Chemnitz / Jacob MüllerFoto: TU Chemnitz / Jacob Müller
Diese Statoren einer dreiphasigen wickelkopflosen Reluktanzmaschine wurden mittels 3D-Multimaterialdruck hergestellt.
Herr Prof. Dr. Werner, auf der Hannover Messe präsentieren Sie als Weltneuheit den Druck von vollständigen elektrischen Motoren. Was bildet die Grundlage dieses neuen Ansatzes?
Seit über 100 Jahren werden elektrische Maschinen industriell hergestellt. Die konventionellen Fertigungstechnologien sind weit entwickelt. Wesentliche Verbesserungen des Wirkungsgrades sowie der Drehmoment- und Leistungsdichte sind nur durch neue Werkstoffe oder neue Motortopologien möglich. Durch unser 3D-Druckverfahren können einerseits nahezu beliebige Motorgeometrien realisiert werden, welche sich mit der klassischen Fertigung durch Stanzen von Elektroblechen nicht verwirklichen lassen. Andererseits ermöglicht unser Druckverfahren den Einsatz von Keramik als Isolationswerkstoff mit weitaus besseren thermischen Eigenschaften im Vergleich zu den derzeit eingesetzten organischen Isolierstoffen.

Was zeichnet das selbst entwickelte 3D-Multimaterialdruckverfahren darüber hinaus aus?
Jede elektrische Maschine besteht hauptsächlich aus drei verschiedenen Materialklassen: erstens Leiterwerkstoffe (zum Beispiel Kupfer oder Aluminium), zweitens Magnetkreiswerkstoffe (zum Beispiel eisenhaltige Legierungen) und drittens Isolationswerkstoffe (zum Beispiel polymerbasierte Isolationsmaterialien oder Keramik).
Unser Druckverfahren wurde dahin gehend entwickelt, aus diesen drei unterschiedlichen Materialien gleichzeitig ein Werkstück zu drucken. Auf diese Weise lassen sich die guten thermischen Eigenschaften der Keramik ohne Einschränkungen hinsichtlich der Verarbeitbarkeit ausnutzen.

Bei dem Verfahren werden konventionelle polymerbasierte Isolationsmaterialien durch spezielle Keramiken ersetzt. Welche Eigenschaften weisen diese Keramiken auf?
Keramiken weisen gegenüber konventionellen polymerbasierten Isolationsmaterialien eine wesentlich höhere Wärmebeständigkeit auf. Während die derzeitigen organischen Isolationsmaterialien Wicklungstemperaturen bis etwa 180°C erlauben, sind mit Keramiken Temperaturen bis über 300°C zulässig. Bedingt durch die höheren Einsatztemperaturen muss jedoch die Wärmeausdehnung der Keramiken sorgfältig auf die Wärmeausdehnungen der metallischen Werkstoffe abgestimmt werden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz von Keramiken im 3D-Multimaterialdruck.

Das keramische Isolationsmaterial verfügt auch über eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Warum ist das wichtig?
In den Wicklungen elektrischer Maschinen entstehen Verluste. Die Verlustwärme muss durch die Isolation hindurch an das Gehäuse und das Kühlmedium abgeführt werden. Dabei stellt die Isolation einen wesentlichen Widerstand für den Wärmestrom dar. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit führt zu einem geringeren Temperaturunterschied zwischen Wicklung und Gehäuse und bedeutet demnach eine bessere Kühlung der Wicklung.
Die maximal zulässige Wicklungstemperatur bestimmt die zulässige Verlustleistung und damit gleichzeitig die maximale Leistung und das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine. Somit erweisen sich die zulässige Wicklungstemperatur und die Kühlbedingungen als dominierende Faktoren für die Leistungs- und Drehmomentdichte elektrischer Maschinen. Dank der besseren thermischen Kopplung der Wicklung durch die keramische Isolation lassen sich das Drehmoment und die Leistung einer elektrischen Maschine bei gleichen Abmessungen erhöhen.

Welche Anwendungsszenarien gibt es künftig für das 3D-Multimaterialdruck-Verfahren?
Die Anwendungsszenarien können in zwei Hauptrichtungen unterschieden werden: Das sind erstens Maschinen mit besonders hoher Leistungsdichte und ­Überlastfähigkeit. Diese Maschinen nutzen vorrangig die gute Wärmeleitfähigkeit der keramischen Isolation aus. Anwendungen hierfür sind vor allem in der Automobiltechnik und der Luftfahrt zu finden. Zweitens können durch die Substitution organischer Isolierstoffe durch Keramik Antriebe für besonders hohe Umgebungstemperaturen realisiert werden.
Die Einsatzmöglichkeiten unseres 3D-Druckverfahrens sind jedoch nicht auf elektrische Maschinen beschränkt. Es kann überall dort eingesetzt werden, wo mehrere Materialien mit weitestgehender Geometriefreiheit miteinander zu kombinieren sind. Ein Beispiel für diese Anwendungen sind Wärmetauscher.

Ein Ausblick: Wie sieht Ihre weitere Roadmap aus?
Die Herstellbarkeit einer elektrischen Maschine mittels 3D-Multimaterialdruck konnten wir bereits grundsätzlich nachweisen. Jetzt stehen zwei Forschungsschwerpunkte im Fokus, welche im Zusammenhang zu betrachten sind.
Zum einen muss die gesamte Fertigungsprozesskette weiterentwickelt werden. Hauptziele sind dabei die Verbesserung der Prozesssicherheit und das Erreichen der industriellen Reife. Zum anderen sind neue Motortopologien zu entwickeln und zu untersuchen, mit denen sich die Vorteile des Druckverfahrens auch bestmöglich nutzbar machen lassen.

Herr Prof. Dr. Werner, vielen Dank für das Gespräch.

https://www.tu-chemnitz.de/etit/ema/
http://www.hannovermesse.de/

 

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