Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz nutzten den 3D-Druck zur Herstellung innovativer Elektromotoren. Dabei konnten sie auch auf ViscoTec Druckköpfe und eine CNC 3-Achsmaschine zurückgreifen. Wir stellen das interessante Projekt einmal genauer vor.
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Fabian Lorenz und Johannes Rudolph der TU Chemnitz – Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe – haben einen innovativen Fertigungsprozess zur Elektromotor-Herstellung entwickelt. Die Elektromotoren werden im 3D-Multimaterialdruck hergestellt. Dazu nutzen sie einer Mitteilung an 3D-grenzenlos zufolge auch Druckköpfe von VisoTec.
Der Fertigungsprozess ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus verschiedenen Materialien mit einem additiven Fertigungsverfahren in einem Arbeitsgang. Mit Unterstützung einer Standard CNC 3-Achsmaschine und ViscoTec Druckköpfen werden mit Bindemittel versetzte metallische und keramische Pasten im 3D-Multimaterialdruck schichtweise aufgebaut. Die Leistungsdichte der hierbei entstehenden Spulen wird dank der Materialpaarung gesteigert. Mit einer gezielten Integration von Kühlkanälen in der Spule bzw. in das Blechpaket lässt sich eine weitere Steigerung der Leistungsdichte erreichen.
Das Verfahren soll nicht nur dazu dienen, Elektromotoren herzustellen, sondern die Wissenschaftler der TU Chemnitz forschen auch daran, das konstruktive Potential des Fertigungsverfahrens bei der Auslegung von elektrischen Maschinen auszuschöpfen.
Die Technologie ermöglicht neben der Integration von Kühlstrukturen auch eine 3D-Führung von Magnetflüssen oder die Einbringung elektrischer Wicklungen in Bereichen, die mit traditionellen Verfahren nicht zugänglich sind. Auf diese Weise sind Maschinen herstellbar, die optimal auf ihre Einsatzbedingungen abgestimmt sind. Vor allem Gewichtseinsparungen sind hier interessant – ein Punkt, der besonders für die Luft-, und Raumfahrt eine wichtige Rolle spielt. Die Entwicklung des Verfahrens begann Ende 2015 und mündete in einer Zusammenarbeit mit ViscoTec. Vor Kurzem berichteten wir über die Expansion des Maschinenbauunternehmens ViscoTec, das eine Niederlassung in Indien eröffnete.
Nach zahlreichen Versuchen gelang es den Forschern, die per 3D-Multimaterialdruck entwickelten metallischen und keramischen Werkstoffe in Pastenform für den Druckprozess nutzbar zu machen. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der existierenden Materialpaarung mussten optimal aufeinander abgestimmt werden. Die Paste musste fließfähig sein, um mit ihr im Extrusionsverfahren drucken zu können.
Eine Formstabilität war ebenfalls erforderlich, damit nach dem Extrudieren die gewünschte Form erhalten bleibt. Das Verfahren ermögliche unterschiedliche Materialkombinationen aus Keramiken und Metallen mittels einer additiven Fertigung zu realisieren, die mit den aktuellen traditionellen Fertigungsmethoden nicht umsetzbar seien.
Die zweite Herausforderung in Form der Anpassung der Schrumpfungswerte der verschiedenen Materialien während des Trocknungs- und Sintervorgangs wurde durch eine gezielte Temperatur-Einstellung des Sinterofens und die Abstimmung der Pasteneigenschaften gelöst.
Bei ViscoTec konnten die Forscher ihr Verfahren vorstellen und dabei wurde schnell klar, dass die Druckköpfe des Herstellers eine ideale Basis für die weitere Optimierung der Technologie darstellen. Von ViscoTec wurde ein Leihgerät zur Verfügung gestellt und der Druckkopf in einen 3D-Drucker integriert. Mit dem Druckkopf folgten Experimente und die Einstellung der Druckparameter auf die hochviskosen Pasten. Vor allem die hohe Dosiergenauigkeit der ViscoTec Druckköpfe beeindruckte die Forscher, weshalb sie sich schlussendlich für deren Einsatz entschieden. Bereits vor zwei Jahren stellte ViscoTec einen Starter-Baukasten zum 3D-Druck flüssiger Materialien vor, was deren Einstieg in die additive Fertigung bedeutete. Auch in Zukunft berichten wir über die Entwicklungen in dem Bereich. Abonnieren Sie dafür gerne unseren kostenlosen 3D-Drucker-Newsletter.