Bereits im vergangenen Jahr stellten die wissenschaftlichen Mitarbeiter von Prof. Dr. Ralf Werner, dem Inhaber der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe, Johannes Rudolph und Fabian Lorenz eine 3D-gedruckte Spule vorgestellt, die Temperaturen von mehr als 300 Grad Celsius standhalten konnte. Das war jedoch erst der Anfang: Mittlerweile ist es ihnen gelungen, sämtliche relevanten Komponenten eines elektrischen Motors in ihrem eigens konzipierten 3D-Multimaterialdruckverfahren herzustellen.

Temperaturbeständigkeit durch Keramik

Neben der hitzeresistenten Spule gelang den Forschern die Herstellung elektrischer Leiter aus Kupfer, die gemeinsam mit einer eisenhaltigen Legierung magnetische Felder erzeugen und ausrichten können. Dazu stößt die notwendige Keramikisolierung, die die Leiter nicht nur untereinander, sondern auch gegen den Magnetkreis abschirmen soll.

„Ziel der etwa zweieinhalb jährigen Arbeit war es bisher, die Grenze der Einsatztemperatur von elektrischen Maschinen deutlich nach oben zu verschieben“, sagte Werner. Das herkömmliche Isolationsmaterial ersetzten sie dementsprechend durch spezielle Keramiken, die wesentlich temperaturbeständigere Eigenschaften aufweisen als die zuvor verwendete polymerbasierte Isolation.

Rudolph ergänzt: „Die zulässige Wicklungstemperatur konventioneller Isolationssysteme von maximal 220 Grad Celsius kann somit deutlich überschritten werden, wodurch die Einsatztemperatur elektrischer Maschinen lediglich durch die ferromagnetischen Eigenschaften des Eisens begrenzt wird, die bis circa 700 Grad Celsius bestehen bleiben“. Ferromagneten erzeugen ein dauerhaftes Magnetfeld oder werden vom Pol eines anderen Magnetfelds angezogen.

Erhöhte Leistungsdichte

Jedoch ist das nicht der einzige Faktor, mit dem die Spezialkeramik punkten kann. Ihre Wärmeleitfähigkeit spielt etwa eine wesentliche Rolle beim Abtransport der entstehenden Verlustwärme, wodurch die Forscher der TU Chemnitz ein weiteres Ziel, eine erhöhte Leistungsdichte elektrischer Maschinen, erreichen. „Trotz einer prozessbedingten, etwas verminderten elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers, ist zudem in speziellen Anwendungsfällen eine Steigerung des Wirkungsgrades durch eine deutliche Reduzierung der Wicklungstemperatur (Temperatur der Spule) möglich“, so Lorenz.

Revolutionäres Verfahren

Die für das Verfahren genutzten Pasten enthalten Partikel der gewünschten Materialien sowie präzise zugeschnittene Bindemittel. Für die richtige Dosierung befinden sich die Wissenschaftler in enger Kooperation mit der ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH in Töging am Inn. „Der im Chemnitzer Uni-Labor gedruckte Motor stellt einen Durchbruch dar und ist gleichzeitig der Proof of Principle – also der Machbarkeitsnachweis – für unsere Technologie“, meint Rudolph.

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Präsentation auf der Hannover Messe 2018

Werner kündigt an: „Erstmals werden wir diese Weltneuheit auf der Hannover Messe 2018 präsentieren“. Im Rahmen der Messe hoffen die Wissenschaftler der TU Chemnitz weitere Interessenten für ihre Ideen und Forschungen begeistern und ihrem 3D-Multimaterialdruck-Verfahren zu mehr Bekanntheit verhelfen zu können.

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