Ein Team estnischer Forscher von der Technischen Universität Tallinn und der Estnischen Universität für Biowissenschaften untersuchte den 3D-Druck weichmagnetischer Kerne. Primäres Ziel war es, einen optimierten Workflow für den 3D-Druck von Magnetkernen zu finden. Außerdem wollen sie weiter untersuchen, wie sich die Geometrien der 3D-gedruckten Kerne verbessern lassen.

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Ein Team von Forschern der Technischen Universität Tallinn und der Estnischen Universität für Biowissenschaften untersuchte den Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung weichmagnetischer Kerne. Dabei handelt es sich um Teile aus magnetischem Material mit hoher magnetischer Permeabilität. Diese leiten und lenken Magnetfelder in verschiedenen elektrischen Systemen und Maschinen, wie Elektromagnete, Transformatoren, Elektromotoren, Generatoren, Induktoren und andere magnetische Baugruppen. In einem Artikel mit dem Titel „Laser Additively Manufactured Magnetic Core Design and Process for Electrical Machine Applications“ haben die Forscher ihre Arbeit präsentiert.

3D-Druck weichmagnetischer Kerne

Die Aufrechterhaltung der Kerneffizienz war beim 3D-Druck weichmagnetischer Kerne bisher eine große Herausforderung. Mit einem umfassenden laserbasierten additiven Fertigungsablauf wollen die Forscher weichmagnetischen Verbundwerkstoffen überlegene magnetische Eigenschaften verleihen. In vielen Ländern wächst das Interesse, Metalle mit elektromagnetischen Eigenschaften additiv herzustellen, heißt es in dem Artikel. Im Rahmen des OPEN 2021-Programms unterstützt das US-Energieministerium seit Februar 2022 die Stanford University bei der Entwicklung von weichmagnetischen Verbundwerkstoffen aus amorphem Metall.

Komplexe 3D-gedruckte Funktionsteile mit magnetischen und elektrischen Eigenschaften könnten bei eingebetteten Motoren, Aktuatoren, elektrischen Schaltungen und Getrieben eingesetzt werden. Viele der beweglichen Komponenten würden so in digitalen Fertigungsanlagen mit minimaler Montage, Nachbearbeitung und Materialverschwendung entstehen. Der Einsatz von 3D-Druckern für große komplexe elektrische Maschinen liegt jedoch noch in weiter Ferne. Hier müssen oft kleine Luftspalte für eine verbesserte Leistungsdichte ermöglicht oder auch mehrere Materialien in einzelnen Baugruppen genutzt werden.

Gedruckte Musterwürfel auf dem Substrat
(im Bild: 3D-gedruckte Musterwürfel auf dem Substrat und der parametrische Plan der einzelnen Würfel zur Dichteoptimierung)(Bild © Technische Universität Tallinn).

Optimierter 3D-Druck-Workflow für Magnetkerne

Das Forscherteam möchte sich auf einfachere Komponenten wie 3D-gedruckte weichmagnetische Kupferspulen, Rotoren und Wärmeleiter aus Aluminiumoxid konzentrieren. Bevor sie sich mit weichmagnetischen Kernen auseinandersetzen, müssen sie erst die Kernverluste im 3D-Druck-Prozess reduzieren. Das Ziel der Forschungsarbeit ist es, einen optimierten 3D-Druck-Workflow für Magnetkerne vorzustellen. Die Forscher ermittelten die besten Prozessparameter für die Anwendung, Scan-Geschwindigkeit, Laserleistung, Schraffurabstand und Schichtdicke. Es untersuchte außerdem die Auswirkungen von Glühparametern, um minimale DC-Verluste, quasistatische Hystereseverluste und die höchste magnetische Permeabilität zu erreichen. Die ideale Glühtemperatur liegt laut den Forschern bei 1200 °C. Sie führte zur höchsten relativen Dichte von 99,86 %, der niedrigsten Oberflächenrauheit von 0,041 mm, minimalen Hystereseverlusten von 0,8 W/kg und einer Streckgrenze von 420 MPa.

Auswirkung von Glühparametern
Die optimale Glühtemperatur wurde mit 1200 °C bestimmt (im Bild: Auswirkung von Glühparametern)(Bild © Technische Universität Tallinn).

Im nächsten Schritt möchte das Team die Mikrostrukturen der Teile charakterisieren, um Einblicke in die Korngröße und Kornorientierung sowie die Auswirkungen auf die magnetische Permeabilität und Stärke gewinnen. Es wird außerdem untersuchen, wie sich Geometrien 3D-gedruckter Kerne für eine verbesserte Leistung verbessern lassen.

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