Il professor Ralf Busch e il suo team presso l'Università della Saarland hanno sviluppato nuove leghe proprio con questo obiettivo.
Lavorando a fianco del collega, il professor Matthias Nienhaus, e di un gruppo di partner internazionali, il team sta esplorando gli aspetti fondamentali di come la stampa 3D possa essere utilizzata per la produzione di componenti per motori. L'Unione Europea sostiene questa ricerca con un finanziamento di 3,5 milioni di euro.
I motori elettrici sono ovunque: nelle biciclette elettriche, nei droni e negli spazzolini elettrici. Convertono l'elettricità in movimento, ma mai con un'efficienza perfetta. Durante il processo si verifica sempre una perdita di energia e, maggiore è la velocità di rotazione del motore, maggiori saranno le perdite.
"E più piccoli sono i motori, meno efficienti diventano, un fenomeno noto come 'perdita di ferro'", spiega il professor Ralf Busch dell'Università della Saarland. Una delle cause di queste perdite è che il campo magnetico all'interno del motore è in continua evoluzione.
In un motore elettrico, un componente chiamato rotore ruota all'interno di uno statore fisso, generando un campo magnetico alternato la cui intensità e direzione cambiano periodicamente nel tempo. Questa continua rimagnetizzazione richiede energia. All'interno del metallo, i minuscoli blocchi magnetici del materiale – che possono essere immaginati come piccoli magneti all'interno della struttura cristallina – devono cambiare orientamento ogni volta che il campo inverte la direzione.
La rotazione forzata di questi "magneti elementari" provoca attrito interno dovuto alla microstruttura cristallina del metallo. Parte dell'energia viene quindi convertita in calore e dispersa.
"Stiamo studiando metodi per ridurre queste perdite di efficienza migliorando i materiali utilizzati nei motori elettrici. Nei motori attuali, i componenti dello statore e del rotore sono realizzati con leghe di ferro magnetico dolce convenzionali a grana grossa. Sebbene queste leghe siano già ottimizzate, presentano ancora perdite relativamente elevate durante la rimagnetizzazione", spiega Busch.
L'obiettivo del team è sostituire queste leghe cristalline convenzionali con leghe amorfe, simili al vetro, che perdono pochissima energia durante la rimagnetizzazione.
Busch lavora a questo approccio da quattro anni con un consorzio internazionale. "Le perdite diminuiscono drasticamente quando i cristalliti sono estremamente piccoli, ovvero nanocristallini, o quando la struttura cristallina è completamente assente, come accade nei materiali amorfi o vetrosi".
Vetri metallici: perdite di energia minime.
Le nuove leghe sviluppate dal team di Saarbrücken nell'ambito di un progetto finanziato dall'UE contribuiscono a mantenere freschi i motori elettrici, poiché l'inversione della magnetizzazione avviene in modo più fluido in questi materiali.
"Questa ricerca fondamentale ci permette di contribuire a rendere più efficienti i dispositivi elettrici del futuro", afferma Busch. "Semplicemente cambiando il materiale, possiamo ridurre il consumo energetico in un'ampia varietà di motori elettrici di uso quotidiano e, in definitiva, estendere l'autonomia di scooter elettrici o droni".
Inoltre, l'utilizzo di metalli amorfi elimina la necessità di elementi di lega critici come il cobalto.
Le leghe su cui il team sta lavorando sono vetri metallici con un contenuto di ferro dal 70 all'80%, che possono essere modellati con precisione tramite la stampa 3D.
Ralf Busch è un pioniere in questo campo. Per decenni ha collaborato con la NASA e il Centro aerospaziale tedesco (DAX), e alcuni di questi metalli vetrosi sono stati persino testati in condizioni di microgravità a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
Nonostante il nome, il vetro metallico non è fragile; anzi, la sua resistenza può essere significativamente superiore a quella dell'acciaio. Il termine "vetro" si riferisce unicamente alla sua struttura interna amorfa, ovvero all'assenza di un reticolo cristallino.
Nei metalli convenzionali, gli atomi sono disposti in reticoli cristallini ordinati. Nei vetri metallici, invece, gli atomi sono disposti in modo casuale, senza periodicità a lungo raggio.
Se i ricercatori selezionano attentamente la miscela di elementi, gli atomi vengono "congelati" durante il raffreddamento del materiale fuso, fissandosi prima che si possa formare una struttura cristallina, in modo simile a quanto accade nel vetro.
In assenza di un reticolo cristallino, il processo di rimagnetizzazione è molto più semplice, riducendo significativamente le perdite di ferro nei motori convenzionali.
I vetri metallici possono essere lavorati come le materie plastiche e modellati in praticamente qualsiasi forma mediante stampaggio a iniezione di metallo o stampa 3D.
In questo progetto, il processo inizia con la fusione di polvere metallica tramite laser. Successivamente, il raffreddamento viene controllato per costruire strato per strato componenti del motore spessi 50 micrometri, completamente amorfi e privi di cristalliti.
Trovare la lega giusta in uno spazio a cinque dimensioni:
progettare leghe con le proprietà adatte è stata una sfida importante.
La lega non solo doveva essere in grado di formare il vetro, ma anche possedere proprietà idonee a sostituire i materiali convenzionali per motori ed essere compatibile con la stampa 3D.
"Abbiamo selezionato centinaia di leghe e testato la loro resistenza alla cristallizzazione. In una lega a cinque elementi, ciò significa esplorare uno spazio compositivo a cinque dimensioni", spiega Busch.
Alla fine, il team ha identificato tre leghe che resistono alla cristallizzazione e consentono la stampa di componenti completamente amorfi.
Questo apre la strada a motori elettrici più efficienti ed ecocompatibili.
La prossima sfida è sviluppare il processo in modo che funzioni in modo affidabile su scala industriale, spiega il professor Matthias Nienhaus.
Il team sta attualmente lavorando all'ottimizzazione dei parametri del processo di produzione additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF).
Tra il 2022 e febbraio 2026, il progetto AM2SoftMag ha ricevuto 3,5 milioni di euro dal Consiglio europeo per l'innovazione nell'ambito del programma Horizon Europe Pathfinder Open.
consorzio europeo
comprende la professoressa Isabella Gallino, che ha ottenuto un finanziamento presso l'Università della Saarland nel 2022 e attualmente lavora presso la TU Berlino.
Il partner industriale del consorzio, Heraeus AMLOY Technologies, è responsabile della stampa 3D dei componenti magnetici.
Altri partecipanti includono:
IMDEA Materials Foundation (Spagna), specializzata nella stampa 3D di metalli;
INRIM (Italia), esperta nella misurazione delle proprietà magnetiche;
e AMAZEMET (Polonia), specializzata nella produzione di polveri metalliche.
