Professor Ralf Busch und sein Team an der Universität des Saarlandes haben mit diesem Ziel neue Legierungen entwickelt.
Gemeinsam mit seinem Kollegen Professor Matthias Nienhaus und internationalen Partnern erforscht das Team grundlegende Aspekte der Anwendung des 3D-Drucks zur Herstellung von Motorkomponenten. Die Europäische Union fördert diese Forschung mit 3,5 Millionen Euro.
Elektromotoren sind allgegenwärtig: in E-Bikes, Drohnen und elektrischen Zahnbürsten. Sie wandeln elektrische Energie in Bewegung um, jedoch nie mit perfektem Wirkungsgrad. Dabei geht stets Energie verloren, und je schneller ein Motor läuft, desto größer sind diese Verluste.
„Je kleiner die Motoren, desto ineffizienter arbeiten sie – ein Phänomen, das als Eisenverluste bekannt ist“, erklärt Professor Ralf Busch von der Universität des Saarlandes. Eine Ursache für diese Verluste ist das sich ständig ändernde Magnetfeld im Inneren des Motors.
In einem Elektromotor dreht sich der Rotor in einem stationären Stator und erzeugt dabei ein magnetisches Wechselfeld, dessen Stärke und Richtung sich periodisch ändern. Diese kontinuierliche Remagnetisierung benötigt Energie. Innerhalb des Metalls müssen die winzigen magnetischen Blöcke des Materials – die man sich als kleine Magnete in der Kristallstruktur vorstellen kann – ihre Ausrichtung jedes Mal ändern, wenn sich die Feldrichtung umkehrt.
Das Erzwingen der Rotation dieser „Elementarmagnete“ verursacht aufgrund der kristallinen Mikrostruktur des Metalls innere Reibung. Ein Teil der Energie wird dabei in Wärme umgewandelt und geht verloren.
„Wir untersuchen Möglichkeiten, diese Effizienzverluste durch die Verbesserung der in Elektromotoren verwendeten Materialien zu reduzieren. In aktuellen Motoren bestehen Stator und Rotor aus herkömmlichen weichmagnetischen Eisenlegierungen mit grobem Korn. Obwohl diese Legierungen bereits optimiert sind, weisen sie beim Remagnetisieren immer noch relativ hohe Verluste auf“, erklärt Busch.
Ziel des Teams ist es, diese herkömmlichen kristallinen Legierungen durch amorphe, glasartige Legierungen zu ersetzen, die beim Remagnetisieren nur sehr geringe Energieverluste aufweisen.
Busch arbeitet seit vier Jahren mit einem internationalen Konsortium an diesem Ansatz. „Die Verluste sinken drastisch, wenn die Kristallite extrem klein sind – also nanokristallin – oder wenn die kristalline Struktur vollständig fehlt, wie es bei amorphen oder glasartigen Materialien der Fall ist.“
Metallische Gläser: minimale Energieverluste.
Die neuen Legierungen, die das Saarbrückener Team im Rahmen des EU-geförderten Projekts entwickelt hat, tragen zur Kühlung von Elektromotoren bei, da die Magnetisierungsumkehr in diesen Materialien reibungsloser verläuft.
„Diese Grundlagenforschung ermöglicht es uns, die elektrischen Geräte der Zukunft effizienter zu gestalten“, sagt Busch. „Allein durch die Änderung des Materials können wir den Energieverbrauch vieler alltäglicher Elektromotoren senken und letztendlich die Reichweite von Elektrorollern oder Drohnen erhöhen.“
Darüber hinaus macht die Verwendung amorpher Metalle kritische Legierungselemente wie Kobalt überflüssig.
Die Legierungen, mit denen das Team arbeitet, sind metallische Gläser mit einem Eisengehalt von 70 bis 80 Prozent, die sich präzise im 3D-Druckverfahren formen lassen.
Ralf Busch ist ein Pionier auf diesem Gebiet. Seit Jahrzehnten arbeitet er mit der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen, und einige dieser glasartigen Metalle wurden sogar unter Mikrogravitationsbedingungen an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) getestet.
Trotz seines Namens ist metallisches Glas nicht spröde; seine Festigkeit kann sogar deutlich höher sein als die von Stahl. Der Begriff „Glas“ bezieht sich lediglich auf seine amorphe innere Struktur, d. h. es besitzt kein Kristallgitter.
In herkömmlichen Metallen sind die Atome in geordneten Kristallgittern angeordnet. In metallischen Gläsern hingegen sind die Atome zufällig und ohne Fernordnung verteilt.
Durch die sorgfältige Auswahl der Elementmischung können die Atome beim Abkühlen des geschmolzenen Materials „eingefroren“ werden und fixieren sich, bevor sich eine Kristallstruktur bilden kann – ähnlich wie bei Glas.
Ohne Kristallgitter ist der Remagnetisierungsprozess deutlich einfacher, wodurch die Eisenverluste in herkömmlichen Motoren erheblich reduziert werden.
Metallische Gläser lassen sich wie Kunststoffe verarbeiten und mittels Metallspritzguss oder 3D-Druck in nahezu jede beliebige Form bringen.
In diesem Projekt beginnt der Prozess mit dem Schmelzen von Metallpulver mittels Laser. Anschließend wird die Abkühlung kontrolliert, um Schicht für Schicht 50 Mikrometer dicke, vollständig amorphe und kristallfreie Motorteile aufzubauen.
Die Suche nach der richtigen Legierung im fünfdimensionalen Raum:
Die Entwicklung von Legierungen mit den passenden Eigenschaften stellte eine große Herausforderung dar.
Die Legierung musste nicht nur glasartig werden können, sondern auch Eigenschaften aufweisen, die sie für den Ersatz herkömmlicher Motorenwerkstoffe geeignet machen, und mit dem 3D-Druck kompatibel sein.
„Wir haben Hunderte von Legierungen ausgewählt und ihre Kristallisationsbeständigkeit getestet. Bei einer Fünf-Elemente-Legierung bedeutet das die Untersuchung eines fünfdimensionalen Zusammensetzungsraums“, erklärt Busch.
Schließlich identifizierte das Team drei Legierungen, die der Kristallisation widerstehen und den Druck vollständig amorpher Bauteile ermöglichen.
Dies ebnet den Weg für effizientere und umweltfreundlichere Elektromotoren.
Die nächste Herausforderung besteht darin, das Verfahren so zu entwickeln, dass es zuverlässig im industriellen Maßstab funktioniert, erklärt Professor Matthias Nienhaus.
Das Team arbeitet derzeit an der Optimierung der Parameter des additiven Fertigungsverfahrens Laser-Pulverbettfusion (L-PBF).
Zwischen 2022 und Februar 2026 erhielt das Projekt AM2SoftMag 3,5 Millionen Euro vom Europäischen Innovationsrat im Rahmen des Programms Horizon Europe Pathfinder Open.
Projektteam des
europäischen Konsortiums
Der Industriepartner des Konsortiums, Heraeus AMLOY Technologies, ist für den 3D-Druck der magnetischen Bauteile verantwortlich.
Weitere Teilnehmer sind:
die IMDEA Materials Foundation (Spanien), spezialisiert auf den 3D-Druck von Metallen;
INRIM (Italien), Experte für die Messung magnetischer Eigenschaften;
und AMAZEMET (Polen), Spezialist für die Herstellung von Metallpulvern.
