Innovative Elektromotoren aus dem 3D-Drucker

Die Druckköpfe von ViscoTec als innovativer Ansatz zur Herstellung von Elektromotoren im 3D-Mulitmaterialdruck von metallischen und keramischen Pasten

Die beiden Forscher Johannes Rudolph und Fabian Lorenz (Bild: TU Chemnitz)

Die beiden Forscher Johannes Rudolph und Fabian Lorenz (Bild: TU Chemnitz)

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Johannes Rudolph und Fabian Lorenz der Technischen Universität Chemnitz der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe haben für die Herstellung von Elektromotoren einen innovativen Fertigungsprozess entwickelt. Damit können Bauteile aus verschiedenen Materialien mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Unter Zuhilfenahme einer Standard CNC 3-Achsmaschine und der Druckköpfe von ViscoTec werden im 3D-Multimaterialdruck metallische und keramische Pasten, die mit einem Bindemittel versetzt sind, schichtweise aufgebaut. Durch die unterschiedliche Materialpaarung kann die Leistungsdichte der entstehenden elektrischen Spulen erhöht werden. Eine zusätzliche Steigerung der Leistungsdichte kann durch gezielte Einbringung von Kühlkanälen in der Spule bzw. in das Blechpaket erreicht werden.

Neben dem Ziel, Elektromotoren herzustellen, die über eine größere Überlastfähigkeit verfügen, forschen die Wissenschaftler auch daran, das konstruktive Potential des Verfahrens bei der Auslegung von elektrischen Maschinen auszuschöpfen. Neben der Integration von Kühlstrukturen ermöglicht die Technologie auch eine dreidimensionale Führung von Magnetflüssen oder das Einbringen von elektrischen Wicklungen in Bereichen, die mit konventionellen Verfahren nicht zugänglich sind. Dadurch lassen sich Maschinen fertigen, die optimal auf ihre Einsatzbedingungen zugeschnitten sind. Besonders interessant sind dabei Gewichteinsparungen – ein Aspekt, der in Luft- und Raumfahrt von großem Interesse ist. Die beiden Forscher haben mit der Entwicklung des Verfahrens Ende 2015 begonnen und sich bereit erklärt, von ihren Erfahrungen und Erkenntnissen aus der Zusammenarbeit mit ViscoTec zu berichten.

Was ist die Innovation an Ihrem Fertigungsverfahren in Kombination mit der Materialpaarung?

3D-Druck gefertigte Elektrospule (Bild: TU Chemnitz)

3D-Druck gefertigte Elektrospule (Bild: TU Chemnitz)

Die Innovation der Technologie besteht darin, dass es uns durch eine Vielzahl an Versuchen gelungen ist, die von uns im 3D-Multimaterialdruck entwickelten metallischen und keramischen Werkstoffe in Form von Pasten für den Druckprozess nutzbar zu machen. Die Herausforderung bestand darin, die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der bestehenden Materialpaarung optimal aufeinander abzustimmen. Darüber hinaus musste die Fließfähigkeit der Paste gegeben sein, um diese in einem Extrusionsverfahren verarbeiten zu können. Eine ausreichende Formstabilität war zudem nötig, um nach dem Extrudieren die gewünschte Form erhalten zu können. Das von uns entwickelte Verfahren bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Materialkombinationen aus Keramiken und Metallen in einem additiven Fertigungsprozess zu realisieren, welche mit derzeitigen konventionellen Fertigungsmethoden nicht umsetzbar sind.

Welche Herausforderungen bzw. Hürden mussten Sie im Fertigungsprozess Ihrer Elektromotoren nehmen?  

Neben der Optimierung der Materialeigenschaften für den 3D-Druck hat sich die Anpassung der Schrumpfungswerte der verschiedenen Materialien während des Trocknungs- und Sintervorgangs als große Schwierigkeit herausgestellt. Durch gezielte Einstellung der Temperatur im Sinterofen und Abstimmung der Pasteneigenschaften konnten wir der Problematik entgegenwirken. Zudem lassen sich durch die Temperaturänderungen die Eigenschaften der Materialien optimieren, um eine noch höhere Leistungsdichte zu erhalten.

Wie sind Sie auf die Druckköpfe von ViscoTec aufmerksam geworden?

3D-Multimaterialdruck Elektromotoren mit den Druckköpfen der ViscoTec (Bild: TU Chemnitz)

3D-Multimaterialdruck Elektromotoren mit den Druckköpfen der ViscoTec (Bild: TU Chemnitz)

Aufmerksam sind wir auf die Extruder von ViscoTec durch eine Pressemitteilung während einer Recherche im Internet geworden. Während dieser Zeit experimentierten wir mit selbst gefertigten Extrudern. Mit dieser Art der Extrusion konnten wir jedoch nicht die gewünschte Genauigkeit bei der Dosierung der hochviskosen metallischen und keramischen Pasten erzielen. Nach dem ersten Kontakt zu ViscoTec folgten wir einer Einladung nach Töging am Inn. Bei dem Treffen hatten wir die Gelegenheit, unser Verfahren vorzustellen. Aufgrund der Erfahrungen auf dem Gebiet der Förderung von hochviskosen Flüssigkeiten und einem entsprechend innovativen Produktportfolio war schnell klar, dass die Extruder von ViscoTec eine ideale Basis für die weitere Optimierung unserer Technologie darstellen. Freundlicherweise stellte uns ViscoTec ein Leihgerät zur Verfügung, wofür wir uns an dieser Stelle noch einmal bedanken möchten. Mit der anschließenden Integration in den 3D-Drucker konnten wir mit dem Druckkopf ausgiebig experimentieren und die Druckparameter auf die hochviskosen Pasten einstellen.

Warum haben Sie sich letztendlich für die Druckköpfe von ViscoTec entschieden?

Für den Druckprozess der Elektromotoren ist Dosiergenauigkeit und Präzision von enormer Bedeutung. Insbesondere die Start- und Endpunkte jeder Linie konnten durch die Druckköpfe von ViscoTec deutlich verbessert werden. Ein gleichmäßiges Druckbild ist das Ergebnis. Gleichzeitig ermöglichen die Druckköpfe eine unproblematische Anpassung der Volumenströme während des Druckvorgangs. Dadurch kann gezielter auf die von uns gewünschten Eigenschaften eingegangen werden.

Was überzeugte Sie an der Zusammenarbeit mit ViscoTec? 

ViscoTec überzeugte uns ab der Kontaktaufnahme mit großer Hilfsbereitschaft und einer Aufgeschlossenheit gegenüber neuen Technologien. Die Druckköpfe von ViscoTec halfen uns, das Projekt 3D-Multimaterialdruck optimal voranzutreiben und den von uns entwickelten Fertigungsprozess daraufhin zu optimieren. Ein weiterer wesentlicher Punkt der guten Zusammenarbeit war die schnelle und unkomplizierte Kommunikation, die die Inbetriebnahme und Adaption der Druckköpfe in unser bestehendes System erheblich erleichterte.

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