Elektrotechnikern der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe an der Technischen Universität Chemnitz gelang es nach jahrelanger Forschung, einen Elektromotor komplett mit einem 3D-Drucker herzustellen. Wichtige Bestandteile des erfolgreichen Drucks waren die Elektrospule, an denen die Mitarbeiter Lorenz und Rudolph bereits gearbeitet haben, und das 3D-Multimaterialdruckverfahren.

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Elektrotechnikern der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe an der Technischen Universität Chemnitz gelang es, den weltweit ersten Elektromotor mit Hilfe von 3D-Druckern herzustellen. Gedruckt wurde mit metallischen und keramischen Pasten, die per Extrusionsverfahren Schicht für Schicht in die erforderliche Form gebracht und im Anschluss gesintert werden.

Schon im letzten Jahr entwickelten zwei der wissenschaftlichen Mitarbeiter der Professur, Fabian Lorenz und Johannes Rudolph, eine Spule aus dem 3D-Drucker, die bis zu einer Temperatur von 300 Grad Celsius beständig ist.

Weltweit erster Elektromotor aus dem 3D-Drucker
Den Forschern der TU Chemnitz gelang der weltweit erste Elektromotor aus Eisen, Kupfer und Keramik (Bild © TU Chemnitz/Jacob Müller).

In der Zwischenzeit entstand ein 3D-Multimaterialdruckverfahren, dass die zentralen Bauteile einer elektrischen Maschine in einem Druckvorgang fertigt. Hier inbegriffen sind elektrische Leiter aus Kupfer, die in Kombination mit Eisen oder eisenhaltigen Legierungen neben der Formung auch für die Ausrichtung der magnetischen Felder verantwortlich sind. Die elektrische Isolation besteht aus Keramik, welche die Leiter untereinander und den aus Eisenteilen zusammengesetzten Magnetkreis isolieren, heißt es in einer Pressemitteilung der TU Chemnitz.

Laut Werner sei es Ziel der rund 2,5 Jahren langen Arbeit gewesen, die Grenze der Einsatztemperatur elektrischer Maschinen deutlich nach oben zu schrauben. Erreicht wurde dies mit speziellen Keramiken, die als Ersatz für die klassischen auf Polymer basierten Isolationsmaterialien ausgewählt wurden.

3D-gedruckte Elektrospule
Mittels 3D-Druck hergestellte Elektrospule (Bild 3D-Druck gefertigte Elektrospule (Bild ©TU Chemnitz)

Rudolph ergänzte, dass die erlaubte Wicklungstemperatur konventioneller Isolationssysteme von maximal 220 Grad Celsius deutlich überschritten werden kann, wodurch die Einsatztemperaturen elektrischer Maschinen nur durch die ferromagnetischen Eigenschaften des Eisens begrenzt wird, die bis ca. 700 Grad Celsius bestehen bleibt.

Zu der höheren Temperaturbeständigkeit bietet das keramische Isolationsmaterial eine gesteigerte Wärmeleitfähigkeit, was in einem schnelleren Abtransport der in den Leitern entstandenen Verlustwärme resultiert. Die Techniker erzielten damit einen Anstieg der Leistungsdichte elektrischer Maschinen. Lorenz erläuterte, dass trotz einer prozessbedingten, etwas reduzierten elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers in speziellen Anwendungsfällen eine Steigerung des Wirkungsgrades durch eine deutliche Minimierung der Wicklungstemperatur erzielt werden kann.

3D-Multimaterialdruck mit ViscoTec Druckkopf
3D-Multimaterialdruck mit ViscoTec Druckköpfen (Bild © TU Chemnitz)

Basis des Verfahrens ist eine schichtweise Extrusion hochviskoser Pasten, die bis zur Marktreife weiterentwickelt werden soll. In den Pasten sind Materialien wie Keramik, Kupfer oder Eisen und extra abgestimmte Bindemittel integriert. Die Forscher kooperieren mit dem Unternehmen ViscoTec Pumpen- und Dosiertechnik GmbH aus Töging, damit die erforderliche Genauigkeit bei der Dosierung der Pasten erreicht wird. Abonnieren Sie unseren Newsletter, so sind Sie beim Thema 3D-Druck immer auf den neuesten Stand.

Für Rudolph ist der mit dem 3D-Drucker hergestellte Motor ein Durchbruch und gleichzeitig der Machbarkeitsnachweis der entwickelten Technologie. Als Mitverantwortlicher für die Entwicklung des Verfahrens bereitet er gemeinsam mit Lorenz eine Ausgründung aus der Universität vor.

Auf der Hannover Messe 2018, vom 23. bis 27. April 2018, werden die Wissenschaftler ihren aktuellen Forschungsstand am Gemeinschaftsstand „Forschung für die Zukunft“ an Stand A38 in Halle 2 den Besuchern zeigen. Rudolph und Lorenz erhoffen sich auf der Messe weitere Interessenten für das 3D-Multimaterialdruckverfahren gewinnen zu können.

Das neuseeländische Forscherteam „EnduroKiwis“ von der University of Canterbury gelang es zuletzt eigenen Angaben zufolge, per 3D-Drucker Titankomponenten für den Motor eines Elektrofahrzeugs herzustellen. In der vergangenen Woche erregte ein weiteres Projekt das Interesse internationaler Medien. Das italienische Unternehmen X Electrical Vehicle (XEV) hatte angekündigt, sein 3D-gedrucktes Auto LSEV sei fertig für die Massenproduktion. Das passt zu dem Elektroauto „enjoy“, welches ebenfalls mit 3D-Druck hergestellt wird und erstmals im September 2017 vorgestellt wurde.  Über die weitere Entwicklung beim Einsatz von 3D-Druck in der eMobility halten wir Sie auch in Zukunft mit unserem kostenlosen 3D-Druck-Newsletter auf dem Laufenden.

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