Natur & Technik

Erstmals miniaturisierte Supermagnete hergestellt © IMAT/TU Graz
Erstmals miniaturisierte Supermagnete hergestellt © IMAT/TU Graz

APA

Forscher stellen Hochleistungsmagnete am 3D-Drucker her

30.01.2020

Hochleistungsmagnete spielen im Bereich der Energieumwandlung - in Generatoren oder Elektromotoren - eine wichtige Rolle. Basis sind häufig Seltenerdmetalle wie Neodym (Nd) und Dysprosium (Dy), deren Abbau aufwendig und wenig nachhaltig ist. Forscher der TU Graz arbeiten daran, die Magnete im 3D-Druck umweltverträglicher herzustellen bzw. suchen nach Alternativen für den Seltenerdmetall-Einsatz.

Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB-Magnete) werden für den Betrieb von Windrädern eingesetzt und auch als potenziell beste Kandidaten für die Miniaturisierung elektrischer Geräte oder hocheffizienter Elektromotoren eingestuft, erklärte Mateusz Skalon vom Institut für Werkstoffkunde gegenüber der APA. Derzeit angewandte Herstellungstechniken wie Sintern oder das Spritzgussverfahren würden zwar hervorragende magnetische Eigenschaften und hohe relative Dichte liefern, die herkömmliche Herstellung gebe jedoch nicht ausreichende Freiheiten bei der Formflexibilität und -komplexität der Magnete.

Den Forschenden der TU Graz ist es nun in Kooperation mit den Universitäten Wien und Erlangen-Nürnberg sowie mit einem Team von Joanneum Research gelungen, solche an die jeweiligen geometrischen Anforderungen angepassten Hochleistungsmagnete mit hoher relativer Dichte wie auch mit hohen magnetischen Eigenschaften im 3D-Drucker herzustellen, wie sie jüngst im Journal "Materials" darlegten. In diesem Prozess des sogenannten selektiven Laserschmelzens wird Metallpulver des magnetischen Materials Schicht für Schicht aufgetragen und die Partikel durch Schmelzen miteinander verbunden. So entsteht ein Bauteil, das zur Gänze aus Metall besteht, wie hervorgehoben wurde.

Effizienter Materialeinsatz

Das Verfahren sei derart ausgereift, dass die Forscher die Magnete mit der erforderlichen hohen relativen Dichte von bis zu 91 Prozent drucken und zugleich die Mikrostruktur des Magnets kontrollieren können. "Die Kombination dieser beiden Eigenschaften garantiert einen effizienten Materialeinsatz, weil wir damit die magnetischen Eigenschaften exakt auf die jeweilige Anwendung zuschneiden können", so Skalon, der damit das Ziel einer möglichst nachhaltigen Verwendung der vorhandenen Ressourcen ansprach.

Die Grazer Forscher bemühen sich auch, neue magnetische Materialien als Alternative zu den Dauermagneten aus Seltenerdmetallen - deren Abbau einen großen ökologischen Fußabdruck hinterlässt und deren Weltmarkt noch dazu von China dominiert wird - zu entwickeln: Siegfried Arneitz setzt bei den Forschungsergebnissen zu 3D-gedruckten Magneten an. Er will eisen- und kobaltbasierte Magnete (Fe-Co-Magnete), die für die Umwelt weniger bedenklich wären, am 3D-Drucker herstellen. Diese wären auch hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit eine Alternative, da spezielle Fe-Co-basierte Legierungen selbst bei Temperaturen bis 400 Grad Celsius ihre magnetische Leistung behalten, während Seltenerdmetalle mit steigender Temperatur ihre magnetischen Eigenschaften verlieren.

Bisherige theoretische Berechnungen hätten gezeigt, dass die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien sogar "um das Doppelte bis Dreifache" gesteigert werden können, zeigte sich Arneitz optimistisch. "Mit der Gestaltungsfreiheit, die der 3D-Druck bietet, sind wir zuversichtlich, diesem Ziel näher kommen zu können", schloss der junge Forscher.

Service: M. Skalon, M. Goertler, B. Meier, Ch. Sommitsch et al.: "Influence of Melt-Pool Stability in 3D Printing of NdFeB Magnets on Density and Magnetic Properties", In: "Materials" 2020, 13, 139; Doi: 10.3390/ma13010139 https://www.mdpi.com/1996-1944/13/1/139

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