萨尔兰大学的拉尔夫·布施教授及其团队为此目标研发了新型合金。
该团队与他的同事马蒂亚斯·尼恩豪斯教授以及一组国际合作伙伴携手，探索如何利用3D打印技术制造发动机零部件。欧盟为这项研究提供了350万欧元的资助。
电动机无处不在：电动自行车、无人机、电动牙刷等等。它们将电能转化为动能，但效率永远无法达到完美。能量总会在这个过程中损耗，而且电动机转速越快，损耗就越大。.
“电机尺寸越小，效率就越低，这种现象被称为‘铁损’，”萨尔兰大学的拉尔夫·布施教授解释道。造成这种损耗的原因之一是电机内部的磁场不断变化。
在电动机中，转子在静止的定子内旋转，产生交变磁场，其强度和方向随时间周期性变化。这种持续的磁化需要能量。在金属内部，材料中微小的磁性单元（可以想象成晶体结构中的小型磁体）每次磁场方向改变时都必须改变其取向。.
强迫这些“基本磁体”旋转会因金属的晶体微观结构而产生内摩擦。部分能量随后转化为热能并损失掉。
“我们正在研究通过改进电机材料来降低这些效率损失的方法。目前的电机中，定子和转子部件由传统的粗晶软磁铁合金制成。尽管这些合金已经过优化，但在重新磁化过程中仍然会表现出相对较高的损耗，”布施解释道。
该团队的目标是用非晶态、玻璃状合金取代这些传统的晶体合金，这种合金在重新磁化过程中能量损失极小。
布施与一个国际联盟合作，已经为此研究了四年。“当晶粒非常小——即纳米晶——或者当晶体结构完全消失时（如非晶态或玻璃态材料），损耗会显著降低。”
金属玻璃：能量损耗极低。
萨尔布吕肯团队在欧盟资助项目下开发的新型合金有助于降低电动机的运行温度，因为这些材料中的磁化反转过程更加平稳。
“这项基础研究使我们能够帮助提高未来电子设备的效率，”布施说道。“仅仅通过改变材料，我们就能降低各种日常电动马达的能耗，并最终延长电动滑板车或无人机的续航里程。”
此外，使用非晶态金属无需钴等关键合金元素。
该团队正在研究的合金是含铁量为70%至80%的金属玻璃，可以使用3D打印技术进行精确成型。
拉尔夫·布施是该领域的先驱。几十年来，他一直与美国国家航空航天局（NASA）和德国航空航天中心合作，其中一些玻璃状金属甚至在国际空间站（ISS）的微重力条件下进行了测试。
尽管名为“玻璃”，但金属玻璃并不脆；事实上，它的强度可以远超钢材。“玻璃”一词仅指其非晶态的内部结构，意味着它缺乏晶格。
在传统金属中，原子排列成有序的晶格。然而，在金属玻璃中，原子是随机排列的，没有长程周期性。
如果研究人员精心选择元素混合物，当熔融材料冷却时，原子就会被“冻结”，在晶体结构形成之前就固定下来，这与玻璃的形成过程类似。
由于没有晶格，重新磁化的过程要简单得多，从而显著降低了传统电机中的铁损。
金属玻璃可以像塑料一样加工，并可以使用金属注射或3D打印技术模制成几乎任何形状。
在这个项目中，该工艺首先使用激光熔化金属粉末。然后控制冷却过程，逐层构建厚度为50微米的完全非晶态且不含微晶的发动机零件。
在五维空间中寻找合适的合金：
设计具有合适性能的合金是一项重大挑战。
这种合金不仅要能够形成玻璃态，还要具备替代传统电机材料的性能，并且与3D打印兼容。
“我们筛选了数百种合金，并测试了它们的抗结晶性。对于五元素合金而言，这意味着要探索五维成分空间，”Busch解释道。
最终，团队找到了三种能够抗结晶并可打印完全非晶态部件的合金。
这为更高效、更环保的电机铺平了道路。Matthias
Nienhaus教授解释说，下一个挑战是开发出能够在工业规模上可靠运行的工艺。
目前，团队正在致力于优化激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造工艺的参数。
2022年至2026年2月期间，AM2SoftMag项目获得了欧洲创新理事会“地平线欧洲”探路者开放计划提供的350万欧元资助。
欧洲联盟
项目团队成员包括伊莎贝拉·加利诺教授，她于2022年在萨尔兰大学获得资助，目前就职于柏林工业大学。
联盟的工业合作伙伴贺利氏AMLOY科技公司负责磁性元件的3D打印。
其他参与方包括：
西班牙IMDEA材料基金会，专注于金属3D打印；
意大利INRIM，磁性测量领域的专家；
以及波兰AMAZEMET公司，金属粉末生产领域的专家。
