El profesor Ralf Busch y su equipo de la Universidad del Sarre han desarrollado nuevas aleaciones con este objetivo.
Trabajando junto con su colega, el profesor Matthias Nienhaus, y un grupo de socios internacionales, el equipo está explorando aspectos fundamentales sobre cómo la impresión 3D puede utilizarse para fabricar componentes de motores. La Unión Europea apoya esta investigación con 3,5 millones de euros.
Los motores eléctricos están presentes en todas partes: en bicicletas eléctricas, drones y cepillos de dientes eléctricos. Convierten la electricidad en movimiento, pero nunca con una eficiencia perfecta. Siempre se pierde energía durante el proceso y cuanto más rápido funciona un motor, mayores son esas pérdidas.
“Y cuanto más pequeños son los motores, más ineficientes se vuelven, un fenómeno conocido como ‘pérdida de hierro’”, explica el profesor Ralf Busch de la Universidad del Sarre. Una de las razones de estas pérdidas es que el campo magnético dentro del motor cambia constantemente.
En un motor eléctrico, un componente llamado rotor gira dentro de un estator fijo, generando un campo magnético alterno cuya intensidad y dirección cambian periódicamente con el tiempo. Esta re-magnetización continua requiere energía. Dentro del metal, los diminutos bloques magnéticos del material —que pueden imaginarse como pequeños imanes dentro de la estructura cristalina— deben cambiar de orientación cada vez que el campo invierte su dirección.
Forzar a estos “imanes elementales” a girar provoca fricción interna debido a la microestructura cristalina del metal. Parte de la energía se convierte entonces en calor y se pierde.
“Estamos investigando formas de reducir estas pérdidas de eficiencia mejorando los materiales utilizados en los motores eléctricos. En los motores actuales, los componentes del estator y el rotor están hechos de aleaciones convencionales de hierro magnético blando con granos gruesos. Aunque estas aleaciones ya están optimizadas, todavía presentan pérdidas relativamente altas durante la re-magnetización”, explica Busch.
El objetivo del equipo es sustituir estas aleaciones cristalinas convencionales por aleaciones amorfas similares al vidrio, que apenas pierden energía durante la re-magnetización.
Busch lleva cuatro años trabajando en este enfoque junto con un consorcio internacional. “Las pérdidas disminuyen drásticamente cuando los cristalitos son extremadamente pequeños —es decir, nanocristalinos— o cuando la estructura cristalina está completamente ausente, como ocurre en materiales amorfos o vítreos”.
Vidrios metálicos: pérdidas energéticas mínimas
Las nuevas aleaciones desarrolladas por el equipo de Saarbrücken dentro del proyecto financiado por la UE ayudan a mantener fríos los motores eléctricos, ya que la inversión de magnetización ocurre de manera más suave en estos materiales.
“Esta investigación fundamental nos permite ayudar a que los dispositivos eléctricos del futuro sean más eficientes”, afirma Busch. “Simplemente cambiando el material podemos reducir el consumo energético en una gran variedad de motores eléctricos cotidianos y, en última instancia, ampliar la autonomía de patinetes eléctricos o drones”.
Además, el uso de metales amorfos elimina la necesidad de elementos críticos de aleación como el cobalto.
Las aleaciones en las que trabaja el equipo son vidrios metálicos con un contenido de hierro del 70 al 80 %, que pueden moldearse con gran precisión mediante impresión 3D.
Ralf Busch es un pionero en este campo. Durante décadas ha colaborado con NASA y el Centro Aeroespacial Alemán, e incluso algunos de estos metales similares al vidrio han sido probados en condiciones de microgravedad a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS).
A pesar de su nombre, el vidrio metálico no es frágil; de hecho, su resistencia puede ser significativamente mayor que la del acero. El término “vidrio” se refiere únicamente a su estructura interna amorfa, es decir, sin red cristalina.
En los metales convencionales, los átomos están organizados en redes cristalinas ordenadas. En los vidrios metálicos, en cambio, los átomos están dispuestos de forma desordenada, sin periodicidad de largo alcance.
Si los investigadores seleccionan cuidadosamente la mezcla de elementos, los átomos quedan “congelados” cuando el material fundido se enfría, quedando fijados antes de que pueda formarse una estructura cristalina, de forma similar a lo que ocurre en el vidrio.
Sin una red cristalina, el proceso de re-magnetización resulta mucho más sencillo, lo que reduce significativamente las pérdidas de hierro que aparecen en los motores convencionales.
Los vidrios metálicos pueden procesarse como plásticos y moldearse prácticamente en cualquier forma, mediante inyección o impresión 3D metálica.
En este proyecto, el proceso comienza fundiendo polvo metálico con un láser. Después se controla el enfriamiento para construir capa por capa piezas del motor de 50 micrómetros de espesor, completamente amorfas y sin cristalitos.
Buscando la aleación adecuada en un espacio de cinco dimensiones
Diseñar aleaciones con las propiedades adecuadas fue un gran desafío.
La aleación no solo debía poder formar vidrio, sino también poseer propiedades aptas para sustituir los materiales convencionales de los motores y ser compatible con la impresión 3D.
“Seleccionamos cientos de aleaciones y probamos su resistencia a la cristalización. En una aleación con cinco elementos eso significa explorar un espacio composicional de cinco dimensiones”, explica Busch.
Finalmente, el equipo identificó tres aleaciones que resisten la cristalización y permiten imprimir componentes totalmente amorfos.
Esto abre el camino hacia motores eléctricos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.
El siguiente desafío es desarrollar el proceso para que funcione de forma fiable a escala industrial, explica el profesor Matthias Nienhaus.
Actualmente, el equipo trabaja en optimizar los parámetros del proceso de fabricación aditiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF).
Entre 2022 y febrero de 2026, el proyecto AM2SoftMag recibió 3,5 millones de euros del European Innovation Council dentro del programa Horizon Europe Pathfinder Open.
Consorcio europeo
El equipo del proyecto incluye a la profesora Isabella Gallino, que obtuvo la financiación en la Universidad del Sarre en 2022 y actualmente trabaja en TU Berlin.
El socio industrial del consorcio, Heraeus AMLOY Technologies, se encarga de la impresión 3D de los componentes magnéticos.
También participan:
IMDEA Materials Foundation (España), especializada en impresión 3D de metales
INRIM (Italia), experto en medición de propiedades magnéticas
AMAZEMET (Polonia), especialista en producción de polvos metálicos
