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05.04.2016

3D-Siebdruck für Motoren-Komponenten

Im Forschungsprojekt PriMa3D gelingt die Herstellung siebgedruckter Magnetkreise für elektrische Antriebe

Die Effizienzfabrik ist eine gemeinsame Initiative des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Im Bereich Elektromobilität werden sieben Verbundprojekte zum Thema „Serienflexible Technologien für elektrische Antriebe von Fahrzeugen“ gefördert. Das Projekt PriMa3D stellen wir Ihnen vor.

Elektrische Maschinen – insbesondere in der E-Mobility – unterliegen zunehmend höheren Anforderungen bezüglich Bauraum, Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Einsatztemperatur oder Fertigungskosten.

Mit konventionellen Fertigungsmethoden konnten diesbezüglich nur kleine Fortschritte erzielt werden. Die Hauptgründe dafür liegen in der beschränkten Werkstoffauswahl, den geringen Gestaltungsfreiheiten, dem axialsymmetrischen Magnetkreisaufbau, den zahlreichen Nachbearbeitungsschritten und deren Auswirkung auf die Materialien sowie den teils komplizierten und händischen Montagearbeiten.

Generative Fertigungstechnologien überwinden eine Vielzahl dieser Einschränkungen. Dabei erweist sich der 3D-Siebdruck als besonders geeignet, weil er als nahezu einzige Methode die Verarbeitung von Kupfer, Eisen und Keramik ermöglicht – für wettbewerbsfähige Motoren unabdingbare Materialien. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren zur Serienproduktion.

Den PriMa3D-Projektpartnern ist es gelungen, Blechpakete aus dem magnetischen Kreis sowie Probekörper aus gemeinsam gesintertem Kupfer und Keramik im 3D-Siebdruck herzustellen. (© PriMa3D)

Den PriMa3D-Projektpartnern ist es gelungen, Blechpakete aus dem magnetischen Kreis sowie Probekörper aus gemeinsam gesintertem Kupfer und Keramik im 3D-Siebdruck herzustellen. (© PriMa3D)

Herangehensweise

Zunächst wurde das bisher für mechanische Komponenten eingesetzte 3D-Siebdruckverfahren hinsichtlich der neuen Funktionswerkstoffe eingerichtet. Dazu gehörte neben der Auswahl geeigneter und zueinander passender Werkstoffe und der Ermittlung von Druck- und Sinterparametern auch die Entwicklung geeigneter Drucksiebe. Die Hauptschwerpunkte lagen in der Ausarbeitung des bisher wenig erforschten Zwei-Komponenten-Drucks und des Co-Sinterns sowie in der Herstellung ungewöhnlich großer Strukturen.

Die Werkstoffeigenschaften wurden iterativ verbessert, wobei kontinuierliche Materialprüfungen erfolgten. Die neuen Erkenntnisse flossen direkt in die Entwürfe von Prototypen und Konzeptstudien, die den Vergleich zwischen gedruckten und konventionellen Komponenten aufzeigen. Es konnte eine industrietaugliche 3DSiebdruckmaschine entwickelt werden, die in der Projektlaufzeit zur Bauteilfertigung verwendet wurde.

Ergebnisse

Es wurden verschiedene Motoren mit siebgedruckten Magnetkreisen fertiggestellt. Diese zeichnen sich durch eine verbesserte Magnetisierbarkeit und damit höhere Leistungsdichten gegenüber konventionellen Komponenten aus. Außerdem wurden erfolgreich teilporöse Magnetkreise erprobt, deren Wirkungsgrad deutlich höher als der vergleichbarer Vollmaterialien ist.

Kupferleiter und Keramikisolatoren können mit sehr guten Eigenschaften hergestellt werden. Es gelang, beide gemeinsam zu drucken und mechanisch stabil zu sintern. Momentan geht dabei jedoch die Isolationsfähigkeit verloren, sodass in den Motoren noch konventionelle Wicklungen zu finden sind. Mit zunehmender Weiterentwicklung sind komplexere Motordesigns (z.B. Transversal-Asynchronmaschinen) denkbar, die die Vorteile des 3D-Siebdrucks stärker ausnutzen.

Die Projektpartner mit Aufgaben

  • Ekra Automatisierungssysteme GmbH Konzeption, Entwicklung und Aufbau einer automatischen Demonstratoranlage für den 3D-Siebdruck
  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), Institutsteil Dresden 3D-Siebdruckentwicklung, Materialsynthese und Bauteilfertigung
  • MP & L Produktions GmbH Entwicklung und Herstellung der Drucksiebe für den 3D-Siebdruck
  • Technische Universität Chemnitz, Professur elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe Berechnung und Auslegung von durch 3D-Siebdruck gefertigten Antriebsmotoren, Komponentenprüfung
  • Wittenstein AG Erstellung von Anforderungsprofilen an den 3D-Siebdruckprozess, Maschinenmontage und –prüfung
Weiterführende Information
  • Additive Fertigung

    Thema des Monats Januar 2016

    Welche Verfahren und Anwendungen bewähren sich in der Praxis des Werkzeug- und Formenbaus? Welche Maschinen sind bereits auf dem Markt und wohin geht die Entwicklung? Wir erklären Grundlagen, verfolgen Trends und lassen Experten zu Wort kommen.   mehr

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