Antriebstechnik: Gedruckte Elektromotoren

Können Motoren für Elektrofahrzeuge wirtschaftlich per Siebdruck hergestellt werden? Und welche Eigenschaften lassen sich den gedruckten Antrieben mit auf den Weg geben, die konventionelle Fertigungsverfahren nicht leisten können? Das erforschen Wissenschaftler der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe der Technischen Universität Chemnitz im Projekt „PriMa3D – Siebgedruckte Komponenten für elektrische Antriebe“. 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 Millionen 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, Inhaber der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe, und ergänzt: „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.“

Durch das Übereinander-Drucken von mehreren Schichten nahezu beliebigen Materials können mit Hilfe des 3D-Siebdrucks Bauteile von mehr als zehn Zentimetern 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 und erklärt: „So können zum Beispiel auf Grund innovativer Materialien, wie 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.

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 aus Baden-Württemberg sowie der in Bayern ansässigen 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 minus 40 Grad bis plus 185 Grad Celsius 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.

Bild: Mathias Lindner, Patrick Bräuer und Prof. Dr. Ralf Werner (v.l.) von der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe der TU Chemnitz diskutieren, wie sich die Kennwerte bei einem Stator eines elektrischen Antriebsmotors voraussichtlich verbessern, der künftig mittels Siebdruck gefertigt werden soll.