Hochleistungslegierungen für additive Fertigung von Energiewandlern

Für die additive Fertigung von E-Motorenkomponenten stehen bislang nur wenige kommerzielle Legierungen zur Verfügung. Um elektrische Maschinen künftig noch leistungsfähiger zu machen, bedarf es neuer Materialien, die speziell auf ihre Anforderungen zugeschnitten sind.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Dagmar Goll setzt das Institut für Materialforschung (IMFAA) der Hochschule Aalen dafür auf eine neue Ultraschall-Verdüsungsanlage des Typs „rePowder“ von Amazemet. Die im Rahmen eines Großgeräteprojekts finanzierte Anlage bilde die Grundlage für die Entwicklung maßgeschneiderter Hochleistungslegierungen – etwa für Energiewandler, Energiespeicher und Hartmetalle. „Die Anlage stellt eine sehr gute Basis für echte Materialinnovationen dar: Wir können jetzt aus Reinelementen oder Vorlegierungen völlig neue Materialien in sehr hoher Qualität entwickeln – besonders in Kleinmengen zur Legierungsentwicklung für hochspezialisierte Anwendungen“, berichtet Prof. Dr. Dagmar Goll.
Das Verfahren verbinde Präzision und Effizienz: Metallisches Material wird durch Plasma oder Induktion eingeschmolzen, dann auf eine ultraschallbetriebene Sonotrode geführt. Die Schwingungen zerstäuben das flüssige Metall in Tropfen, die beim Abkühlen zu kugelförmigem Pulver erstarren. Je nach Ultraschallfrequenz sind Partikelgrößen von 30 bis 100 Mikrometern möglich – ideal für den 3D-Druck. „Die Kugelform ist entscheidend für gleichmäßigen Fluss und präzise Verarbeitung“, erklärt Felix Trauter, Doktorand am IMFAA. „Wir können damit Legierungen mit exakt definierten Eigenschaften herstellen, die es so nirgendwo zu kaufen gibt."
Die Ausstattung mit Induktions- oder Plasmaschmelzen ermöglicht die Verarbeitung von quasi jedem Material. Mit einer maximalen Temperatur von rund 3000°C kann von Aluminium über hochreaktive Speziallegierungen bis zu Wolfram nahezu jedes Material verarbeitet werden. Selbst exotische Materialien wie Mondstaub sind möglich. „Für unsere Forschung an Energiespeichern, Elektromotoren und Generatoren benötigen wir Materialien mit sehr spezifischen magnetischen oder mechanischen Eigenschaften. Bisher mussten wir mit den nächstbesten verfügbaren Materialien arbeiten – jetzt können wir sie selbst entwickeln", sagt Dr. Thomas Kresse, Forscher am IMFAA.
Die Anlage ermöglicht auch direktes Recycling nach dem „Cradle-to-Cradle-Prinzip“: Material kann am Lebensende direkt wieder in hochwertigen Ausgangsstoff für die additive Fertigung überführt werden. „Stütz¬strukturen aus dem Druckprozess werden wieder zu verwertbarem Pulver – ohne Qualitätsverlust", erklärt Trauter. Das Material wird dabei für den spezialisierten Einsatz recycelt, für den es ursprünglich hergestellt wurde. Dies ermöglicht schnelle Iterationszyklen in der Materialentwicklung bei effizienter Ressourcennutzung.
Quelle: Hochschule Aalen