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Werkstoffe Vielfalt als Stärke

| Autor/ Redakteur: Josef Kraus / Josef-Martin Kraus

Die Anziehung kunststoffgebundener Dauermagnete am Markt wird immer größer. Grund dafür ist der steigende Bedarf bei Sensoren und Kleinmotoren, die nicht so sehr leistungsstarke, vielmehr in Formgebung und Wirtschaftlichkeit optimierte Magnete mit besonderer magnetischer Feldverteilung benötigen. Bei der Herstellung kommt daher dem Spritzgießen eine besondere Rolle zu.

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Rotor für Elektromotoren – mit drei verschiedenen Magnetspuren auf der Manteloberfläche: acht-poliger Antriebsteil, 24-polige Tachospur, achtpoliger Signalgeber. Bild: Oechsler
Rotor für Elektromotoren – mit drei verschiedenen Magnetspuren auf der Manteloberfläche: acht-poliger Antriebsteil, 24-polige Tachospur, achtpoliger Signalgeber. Bild: Oechsler
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Anziehungskraft der Magnete am Markt spüren die Hersteller sehr unterschiedlich. Dort ziehen die Ferritmagnete. Dagegen sind die Absatzmengen bei den Selten-Erd-Magneten auf Anwendungen begrenzt, die richtig Kraft erfordern. Grund dafür ist der Werkstoffpreis: Selten-Erd-Legierungen sind teurer als hartferritisches Eisen, das sich daher als Magnetwerkstoff für Low-Power-Anwendungen am Markt durchsetzen konnte: bei Kleinmotoren, Sensoren und günstigen Haftmagneten. Daran wird sich künftig wenig ändern, ist Dipl.-Phys. Thomas Schliesch, Entwicklungsleiter bei der Max Baermann GmbH, Bergisch Gladbach, überzeugt.

Dafür spricht, dass sich diese Relationen bei Dauermagneten mit hohen Zuwachsraten widerspiegeln. Das ist zum Beispiel bei kunststoffgebundenen Magneten der Fall. Sie ermöglichen den Magnetherstellern, Verfahren der Kunststoffverarbeitung anzuwenden. Daraus resultieren Vorteile bei Ausstoßmengen, Formgebung und Maßgenauigkeit.

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Zudem wird eine sehr hohe Variationsvielfalt beim magnetischen Felddesign geboten. Infolge dieser Vorteile können die kunststoffgebundenen Magnete den Nachteil der verringerten magnetischen Kennwerte – besonderes der Remanenzinduktion – laut Schliesch „bei weitem“ kompensieren. So stellt Schliesch fest, dass sie „immer mehr Marktanteile“ im Vergleich zu gesinterten Magneten gewinnen.

Magnetwerkstoffe sind meist Hartferrite

Die Anziehungskraft kunststoffgebundener Magnete basiert zu 80% auf Hartferriten. Der Rest entfällt auf Selten-Erd-Legierungen, meist auf Neodym-Eisen-Bor- (NdFeB) und Samarium-Cobalt-Werkstoffe (SmCo). Diese Verteilung trifft beispielsweise auf Baermann zu, wo seit über 30 Jahren kunststoffgebundene Magnete hergestellt werden und dazu auch Alnico – eine Legierung aus Eisen, Aluminium, Nickel und Cobalt – verwendet wird; jedoch immer seltener, wie Schliesch bemerkt, für den diese Relation markttypisch ist.

Diese Werkstoffe verarbeitet man in der Regel als Pulver. Daraus werden Dauermagnete gepresst und gesintert oder wie Kunststoffteile hergestellt: durch Spritzgießen, Formpressen, Extrudieren oder Kalandrieren.

Unterschiedliche Dichte der Pulverpartikel

Die Magnete unterscheiden sich daher in der Pulverpartikeldichte. Sie bestehen nach dem Sintern völlig, nach der Formgebung in einem Verfahren der Kunststofftechnik teilweise aus Magnetwerkstoffen. Das hat Auswirkung auf die magnetische Remanenz: die bleibende Magnetisierung der Teile nach Abschaltung eines äußeren Magnetfelds. „In recht guter Näherung“, so Schliesch, „hängt die Remanenz proportional vom Volumentanteil der Magnetwerkstoffe ab.“ Folglich sinkt sie, je mehr Kunststoff der Magnet enthält. Dafür erhält man aber mehr konstruktive Freiheit und Wirtschaftlichkeit, die der Kunststoff als plastifizierbare Matrix für das magnetische Pulver bietet.

Besonders beim Spritzgießen ist das der Fall. Im Vergleich zu anderen Verfahren biete es, so Schliesch, „die größte Vielfalt bezüglich der Formgebung der Teile bei niedrigsten Herstellungskosten“. Das wurde auch in der Kunststoffverarbeitung erkannt. So haben Verarbeiter wie Oechsler die Magnetherstellung ins Leistungsspektrum aufgenommen.

„Spritzgegossene Dauermagnete gewinnen als Funktonsteile weiter an Bedeutung“, stellt Dr.-Ing. Dietmar Drummer, Leiter Technologiemanagement bei der Oechsler AG, Ansbach, fest. Ausreichend große Stückzahlen seien dazu vielfach vorhanden. So wird inzwischen auch bei großen Magnetherstellern, wie der Vacuumschmelze GmbH & Co. KG, Hanau, die früher Dauermagnete ausschließlich sinterte, das Spritzgießen angewandt.

Mehr Teilevielfalt im Vergleich zum Sintern

Das Spritzgießen ist laut Drummer „ein sehr fähiger Prozess mit vielfältigen Möglichkeiten“. Das zeigt sich für den Technologie-Manager nicht nur in der Formgebung, wie ein Blick in die Produktion von Oechsler verrät. Dort werden Teile aus mehreren Kunststoffen spritzgegossen und Metallfolien mit Kunststoff hinterspritzt. Beides ist auf kunststoffgebundene Magnete übertragbar, auf gesinterte dagegen nicht.

„Bei Sinter-Magneten ist es extrem schwierig, Rippen, Zahnräder, Hinterschnitte und Vertiefungen mechanisch herauszuarbeiten“, so Thomas Schliesch. Auch bei einem Verbund mit einem Kunststoffteil oder einer metallischen Welle seien Sintermagnete kaum verwendbar.

Prozesse beim Spritzgießen beherrschbar

Beim Spritzgießen lassen sich diese Prozesse beherrschen. Sie sind in der Kunststoffverarbeitung etabliert, so dass die Herstellung kunststoffgebundener Magnete darauf aufgebaut werden konnte. Der Unterschied liegt dabei im Compound. Dieses Granulat, das auf üblichen Maschinen, fließfähig aufgeschmolzen, zu Teilen gespritzt wird und erstarrt, ist bis zu 70% mit pulvrigem Magnetwerkstoff gefüllt.

Dazu kommt der Kunststoff als Binder, meist Polyamid, das viel Füllstoff aufnehmen kann. Auch PPS wird verwendet. Weitere Werkstoffe bei den Compounds sind zu erwarten. So sieht Drummer in der Optimierung der Fließfähigkeit und den mechanischen Eigenschaften noch Leistungspotenziale.

Außerdem kommt mit der Magnetisierung der Teile im Vergleich zum Kunststoff-Spritzgießen ein weiterer Prozess-Schritt dazu. Bei diesem Schritt werden im Spritzgießwerkzeug die Pulverpartikel ausgerichtet und magnetisiert. Das geschieht vor allem bei den Ferritmagneten. Dagegen erfolgt bei den Selten-Erd-Legierungen die Magnetisierung oft nach dem Spritzgießprozess: durch Impulsmagnetisierung in einer Spule, die an einem elektrischen Schwingkreis angeschlossen ist. So kommt es in der Spule zur Magnetfeldbildung, die auf die Teile übertragen wird. Zum Herstellen von Ferritmagneten sind dagegen Spulen oder Dauermagnete ins Werkzeug integriert, mit denen die Felder in die Teile geprägt werden.

Besondere Feldverteilung erschließt Anwendungen

Das Ergebnis beider Varianten ist: Man erhält Dauermagnete, in denen die magnetischen Felder nicht geradlinig verlaufen müssen. So können lokal sich ändernde Anisotropien bei den Magneteigenschaften der Teile vorhanden sein. Somit ist es möglich, magnetische Felder „um die Ecke biegen“ zu lassen. Das ist zum Beispiel bei zwölfpoligen Läufern in Schrittmotoren der Fall. Bei diesen zylindrischen Rotoren werden die Pole, die das Magnetfeld für den Antrieb erzeugen, alternierend auf der Mantelfläche positioniert. Dadurch entsteht auf der Oberfläche der Läufer eine definierte Magnetspur.

Die freizügige Feldgestaltung ist daher für Schliesch eine Besonderheit kunststoffgebundener Magnete. Bei Motoren sei sie das wichtigste Anwendungskriterium dieser Funktionsteile – weniger die Drehmomenterzeugung für den Antrieb, die infolge des Kunststoffanteils im Magneten an Grenzen stoße. Daher kommt die Besonderheit oft in Kleinmotoren zum Tragen.

Besondere Anwendungsmöglichkeiten in der Sensorik

Noch häufiger wird sie laut Schliesch in der Sensorik als Vorteil angesehen: „Dort verlangt man besondere Feldverteilungen.“ Kunststoffgebundene Magnete bieten dabei vielfältigste Variationen. So ermöglicht das Spritzgießen, dreieckige, sinus- und trapezförmige Magnetfelder zu erzeugen. „Im Grunde lässt sich alles herstellen, was physikalisch machbar ist“, sagt der Baermann-Entwicklungsleiter.

Diese Vielfalt macht man sich im Automobilbau zunutze. Dort sei die Sensorik „ein ganz großes Thema“, stellt Schliesch fest. Daraus resultierten schon große Absatzmengen, zum Beispiel bei Fensterhebern, der elektronischen Lenkungskontrolle, der Scheinwerfer- und Drosselklappenverstellung. Bei Baermann werden 70 bis 80% des Umsatzes mit Automobilzulieferern gemacht. „In jedem modernen Oberklassewagen stecken etwa 150 Dauermagnete“, so Schliesch. Dort seien sie zum Teil für eine anspruchsvolle Signalübertragung notwendig.

Solch schwierige Funktionen sind mittels Spritzgießen wirtschaftlich zu haben. So lässt sich damit der Ausstoß bei fast gleicher Zykluszeit steigern, indem man die Kavitätszahl der Werkzeuge erhöht. Zudem kann im Werkzeug die komplette Magnetherstellung gebündelt werden. Das ist beispielweise bei Oechsler der Fall, wo man innerhalb des Verbundprojekts „Mechatronik“ einen Rotor für Elektromotoren entwickelt hat. In dieses Spritzgießteil werden drei verschiedene Magnetspuren mit unterschiedlicher Polzahl induziert.MM

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