3D-Druck Motoren für Elektrofahrzeuge im Siebdruckverfahren fertigen

Redakteur: Stefanie Michel

Im Projekt „Prima 3D – Siebgedruckte Komponenten für elektrische Antriebe“ untersuchen Wissenschaftler der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe der Technischen Universität Chemnitz, ob sich Motoren für Elektrofahrzeuge wirtschaftlich per Siebdruck herstellen lassen.

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Mathias Lindner, Patrick Bräuer und Prof. Dr. Ralf Werner (v.l.) diskutieren, wie sich die Kennwerte bei einem Stator eines elektrischen Antriebsmotors voraussichtlich verbessern, der künftig durch Siebdruck gefertigt werden soll.
Mathias Lindner, Patrick Bräuer und Prof. Dr. Ralf Werner (v.l.) diskutieren, wie sich die Kennwerte bei einem Stator eines elektrischen Antriebsmotors voraussichtlich verbessern, der künftig durch Siebdruck gefertigt werden soll.
(Bild: TU Chemnitz/Mario Steinebach)

Ziel der Forschung ist es, den dreidimensionalen Siebdruck für die Herstellung von Elektroantrieben weiterzuentwickeln. Gefördert wird das Vorhaben seit Ende 2012 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 1,6 Mio. Euro für drei Jahre.

"Wir betrachten innerhalb des Projekts technologische Fragestellungen zur Steigerung der Energieeffizienz elektrischer Antriebe und einer effizienten Produktion", sagt Prof. Dr. Ralf Werner. "Innerhalb des Projektzeitraumes wollen wir nachweisen, dass der dreidimensionale Siebdruck eine wirtschaftliche Alternative für die Fertigung darstellt. Außerdem möchten wir zeigen, dass durch dieses Verfahren eine entscheidende Verbesserung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads von elektrischen Antriebsmotoren möglich ist."

Hohe Fertigungsgenauigkeit mit 3D-Siebdruck möglich

Durch das Übereinander-Drucken von mehreren Schichten nahezu beliebigen Materials können mit Hilfe des 3D-Siebdrucks Bauteile von mehr als 10 cm Höhe entstehen. Diese werden nach dem Druckvorgang wärmebehandelt und so zu stabilen Körpern versintert. "Der 3D-Siebdruck erlaubt im Vergleich zu klassischen Produktionsverfahren eine große Fertigungsgenauigkeit und Materialauswahl. Das verspricht, Motoren mit aus heutiger Sicht überragenden Eigenschaften herstellen zu können", so Prof. Werner, dessen Professur schon seit Mai 2010 den klassischen 2D-Siebdruck zur Herstellung von Antriebsteilen nutzt. "Bereits seit mehr als zweieinhalb Jahren laufen bei uns Berechnungen und Vermessungen für Luftspaltwicklungen für Kleinantriebe", berichtet Werner.

Um den 3D-Siebdruck in der Antriebstechnik nutzen zu können, legen die Wissenschaftler zunächst die für einen Elektromotor nötigen Bauteile für das neue Verfahren aus. "Dabei fließen bereits prinzipbedingte positive Eigenschaften des neuen Verfahrens ein", sagt Werner. So könnten zum Beispiel durch Einsatz von Keramiken wesentlich höhere Betriebstemperaturen zugelassen werden. Dadurch gelinge die Integration in das vorhandene Kühlsystem bei Hybridfahrzeugen deutlich einfacher. Außerdem würden bei kleinerer Masse und Volumen höhere Leistungen im Vergleich zu herkömmlichen Elektroantrieben erreicht.

Vergleich der fertigen Elektromotoren mit konventionellen Antrieben

Die Elektrotechniker der TU Chemnitz kooperieren mit vier Partnern: dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Ifam in Dresden, der Ekra Automatisierungssysteme GmbH und der Wittenstein AG sowie die in MP+L Produktions GmbH. Das Fraunhofer Ifam fertigt die ausgelegten Bauteile mittels 3D-Druckverfahren und versintert sie zu stabilen Teilen. Dabei fließen auch Verbesserungen bei der Siebfertigung ein, zu denen die MP+L Produktions GmbH Entwicklungsarbeit leistet. Die Wittenstein AG montiert die Bauteile zu fertigen Motoren und vergleicht deren Eigenschaften mit konventionellen Antrieben aus dem eigenen Portfolio. Die TU-Forscher führen Tests mit den neuen Motoren unter wechselnden klimatischen Bedingungen durch.

"Eigens dafür beschaffen wir im Rahmen des Projektes im zweiten Halbjahr 2013 eine leistungsfähige Klimazelle. Diese erlaubt es, Umgebungstemperaturen von -40 bis +185 °C zu erzeugen", so Werner. Parallel zu den Ergebnissen aus der Motorenberechnung und der Siebdruckentwicklung konzipiert die Ekra Automatisierungssysteme GmbH wesentliche Komponenten einer kommerziellen Fertigungsanlage und stellt diese her.

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