O professor Ralf Busch e a sua equipa na Universidade do Sarre desenvolveram novas ligas com este objetivo em mente.
Trabalhando em conjunto com o seu colega, o professor Matthias Nienhaus, e um grupo de parceiros internacionais, a equipa está a explorar aspetos fundamentais de como a impressão 3D pode ser utilizada para fabricar componentes de motores. A União Europeia está a apoiar esta investigação com 3,5 milhões de euros.
Os motores elétricos estão por todo o lado: nas bicicletas elétricas, nos drones e nas escovas de dentes elétricas. Convertem eletricidade em movimento, mas nunca com uma eficiência perfeita. Há sempre perda de energia durante o processo, e quanto mais rápido um motor opera, maiores são essas perdas.
“E quanto mais pequenos forem os motores, menos eficientes se tornam, um fenómeno conhecido como ‘perda no ferro’”, explica o professor Ralf Busch, da Universidade do Sarre. Uma das razões para estas perdas é que o campo magnético dentro do motor está em constante mudança.
Num motor elétrico, um componente denominado rotor gira dentro de um estator estacionário, gerando um campo magnético alternado cuja intensidade e direção mudam periodicamente ao longo do tempo. Esta remagnetização contínua requer energia. No interior do metal, os minúsculos blocos magnéticos do material — que podem ser imaginados como pequenos ímanes no interior da estrutura cristalina — devem mudar de orientação de cada vez que o campo inverte a sua direção.
Forçar estes “ímanes elementares” a rodar causa atrito interno devido à microestrutura cristalina do metal. Parte da energia é então convertida em calor e perdida.
“Estamos a investigar formas de reduzir estas perdas de eficiência, melhorando os materiais utilizados nos motores elétricos. Nos motores atuais, os componentes do estator e do rotor são feitos de ligas de ferro magnético macias convencionais com grãos grosseiros. Embora estas ligas já estejam otimizadas, ainda apresentam perdas relativamente elevadas durante a remagnetização”, explica Busch.
O objetivo da equipa é substituir estas ligas cristalinas convencionais por ligas amorfas, semelhantes a vidro, que perdem muito pouca energia durante a remagnetização.
Busch trabalha nesta abordagem há quatro anos com um consórcio internacional. “As perdas diminuem drasticamente quando os cristalitos são extremamente pequenos — ou seja, nanocristalinos — ou quando a estrutura cristalina está completamente ausente, como acontece nos materiais amorfos ou vítreos.”
Vidros metálicos: perdas mínimas de energia.
As novas ligas desenvolvidas pela equipa de Saarbrücken no âmbito do projecto financiado pela UE ajudam a manter os motores eléctricos refrigerados, uma vez que a inversão da magnetização ocorre de forma mais suave nestes materiais.
“Esta investigação fundamental permite-nos contribuir para tornar os dispositivos elétricos do futuro mais eficientes”, afirma Busch. “Simplesmente alterando o material, podemos reduzir o consumo de energia numa ampla variedade de motores elétricos de uso diário e, em última análise, ampliar a autonomia das trotinetes elétricas ou dos drones.”
Além disso, a utilização de metais amorfos elimina a necessidade de elementos de liga essenciais, como o cobalto.
As ligas com que a equipa trabalha são vidros metálicos com um teor de ferro de 70 a 80%, que podem ser moldados com precisão através de impressão 3D.
Ralf Busch é um pioneiro nesta área. Há décadas que colabora com a NASA e o Centro Aeroespacial Alemão, e alguns destes metais vítreos foram mesmo testados em condições de microgravidade a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS).
Apesar do nome, o vidro metálico não é quebradiço; na verdade, a sua resistência pode ser significativamente superior à do aço. O termo "vidro" refere-se apenas à sua estrutura interna amorfa, ou seja, à ausência de uma rede cristalina.
Nos metais convencionais, os átomos estão dispostos em redes cristalinas ordenadas. Nos vidros metálicos, no entanto, os átomos estão dispostos de forma aleatória, sem periodicidade de longo alcance.
Se os investigadores selecionarem cuidadosamente a mistura de elementos, os átomos são "congelados" quando o material fundido arrefece, fixando-se antes que se possa formar uma estrutura cristalina, de forma semelhante ao que ocorre no vidro.
Sem uma rede cristalina, o processo de remagnetização é muito mais simples, reduzindo significativamente as perdas de ferro nos motores convencionais.
Os vidros metálicos podem ser processados como plásticos e moldados em praticamente qualquer formato, utilizando injeção de metal ou impressão 3D.
Neste projeto, o processo inicia-se com a fusão de pó metálico a laser. Em seguida, o arrefecimento é controlado para construir, camada a camada, peças de motor com 50 micrómetros de espessura, completamente amorfas e sem cristalitos.
Encontrar a liga certa num espaço de cinco dimensões:
Conceber ligas com as propriedades certas foi um grande desafio.
A liga não só precisava de ser capaz de formar vidro, como também de possuir propriedades adequadas para substituir os materiais convencionais dos motores e ser compatível com a impressão 3D.
“Selecionámos centenas de ligas e testámos a sua resistência à cristalização. Numa liga de cinco elementos, isto significa explorar um espaço composicional de cinco dimensões”, explica Busch.
Por fim, a equipa identificou três ligas que resistem à cristalização e permitem a impressão de componentes totalmente amorfos.
Isto abre caminho para motores elétricos mais eficientes e ecológicos.
O próximo desafio é desenvolver o processo para funcionar de forma fiável à escala industrial, explica o professor Matthias Nienhaus.
A equipa está atualmente a trabalhar na otimização dos parâmetros do processo de fabrico aditivo por Fusão Seletiva a Laser em Leito de Pó (L-PBF).
Entre 2022 e fevereiro de 2026, o projeto AM2SoftMag recebeu 3,5 milhões de euros do Conselho Europeu de Inovação, no âmbito do programa Horizonte Europa Pathfinder Open.
equipa do
consórcio europeu
O parceiro industrial do consórcio, a Heraeus AMLOY Technologies, é responsável pela impressão 3D dos componentes magnéticos.
Outros participantes incluem:
a IMDEA Materials Foundation (Espanha), especializada na impressão 3D de metais;
o INRIM (Itália), especialista na medição de propriedades magnéticas;
e a AMAZEMET (Polónia), especialista na produção de pós metálicos.
