Nachhaltige Supermagnete aus dem 3D-Drucker

04.02.2020 - Österreich

Magnetwerkstoffe sind wichtiger Bestandteil elektrischer Produkte. Gefertigt werden sie meist mit herkömmlichen Produktionsverfahren unter Einsatz von seltenen Erden. Mehrere Forschungsteams der TU Graz arbeiten daran, sie umweltverträglicher herzustellen.

Ob in Windkraftanlagen, Elektromotoren, Sensoren oder magnetischen Schaltsystemen: Dauermagnete sind in vielen elektrischen Anwendungen verbaut. Gefertigt werden sie zumeist durch Sintern oder im Spritzguss-Verfahren. Durch die zunehmende Miniaturisierung der Elektronik und den damit einhergehenden geometrischen Anforderungen an Magnete stoßen diese herkömmlichen Produktionsmethoden immer öfters an ihre Grenzen. Additive Fertigungstechnologien hingegen bieten die notwendige Gestaltungsfreiheit, um Magnete herzustellen, die an die jeweiligen Anforderungen optimal angepasst sind.

Magnete nach Maß

Forscher der TU Graz ist es nun gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Wien und Erlangen-Nürnberg sowie mit einem Team von Joanneum Research gelungen, Supermagnete mittels laserbasiertem 3D-Druck herzustellen. Dabei wird Metallpulver des magnetischen Materials schichtweise aufgetragen, die Partikel werden durch Schmelzen miteinander verbunden. So entsteht ein Bauteil, das zur Gänze aus Metall besteht. Das Verfahren ist derart ausgereift, dass die Forschenden Magnete mit hoher relativer Dichte drucken und zugleich deren Mikrostruktur 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 Siegfried Arneitz und Mateusz Skalon vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz.

Die Forschungsgruppe konzentrierte sich zunächst auf die Produktion von Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB-Magneten). Neodym zählt zur Gruppe der sogenannten Seltenen Erden und bildet aufgrund seiner chemischen Eigenschaften die Basis für viele starke Dauermagnete, die in Computern, Smartphones und anderen wichtigen Anwendungen unersetzlich sind. Die Forscher beschreiben ihre Arbeit ausführlich im Journal Materials. Es gibt jedoch auch Anwendungen wie beispielsweise elektrische Bremsen, Magnetschalter oder bestimmte Elektromotorsysteme, in denen die magnetische Stärke von NdFeB-Magneten nicht benötigt und auch nicht gewünscht ist.

Suche nach Alternativen zu Seltenerdmetallen

Siegfried Arneitz, Doktorand am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz, setzt deshalb die Arbeit an 3D-gedruckten Magneten fort – aufbauend auf den bisherigen Forschungsergebnissen. In seiner Dissertation widmet sich Arneitz dem 3D-Druck von eisen- und kobaltbasierten Magneten (Fe-Co-Magnete). Dabei handelt es sich um vielversprechende Alternativen zu NdFeB-Magneten. In doppelter Hinsicht: Der Abbau von Seltenen Erden ist aufwendig und wenig nachhaltig, das Recycling dieser Metalle steckt noch in den Kinderschuhen. Fe-Co-basierte Magnete hingegen sind für die Umwelt weit weniger bedenklich.

Außerdem verlieren Seltenerdmetalle mit steigender Temperatur ihre magnetischen Eigenschaften, während spezielle Fe-Co basierte Legierungen selbst bei Temperaturen von 200 bis 400 Grad Celsius ihre magnetische Leistung behalten und sich durch eine gute Temperaturstabilität auszeichnen.

Erste Ergebnisse stimmen Arneitz zuversichtlich: „Bisherige theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien sogar um das Doppelte bis Dreifache gesteigert werden können. Mit der Gestaltungsfreiheit, die der 3D-Druck bietet, sind wir zuversichtlich, diesem Ziel näher kommen zu können. In Kooperation mit verschiedenen Instituten werden wir weiter an diesem Thema arbeiten, um zukünftig für jene Bereiche alternative Magnetwerkstoffe anbieten zu können, in denen Neodym-Eisen-Bor-Magneten nicht notwendig sind.“