Spanien IMDEA Materials: 3D-gedrucktes verlustarmes metallisches Glas

de.wedoany.com-Bericht: Am 17. September veröffentlichte das spanische IMDEA Materials Institute die neuesten Forschungsergebnisse des europäischen Projekts AM2SoftMag. Das Projektteam stellte mithilfe des Laser-Pulverbettschmelzverfahrens (LPBF) erfolgreich ein vollständig amorphes eisenbasiertes metallisches Glas her, mit einer Formdichte von über 92 % und einer magnetischen Koerzitivfeldstärke von 44 A/m. Das Ziel ist die Anwendung in weichmagnetischen Komponenten wie Rotoren und Statoren für hocheffiziente Elektromotoren. Die Forschungsergebnisse wurden in „Acta Materialia" veröffentlicht.

Das neue Material wurde vom Forschungsteam der Universität des Saarlandes entworfen und besteht hauptsächlich aus Eisen, Silizium, Bor, Niob und Nickel, ohne Kobalt und Seltenerdelemente. Das Schlüsselmerkmal des Materials ist die erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Entglasung: Ohne Kristallisation kann eine kritische Dicke von etwa 1 mm erreicht werden, was etwa dem Zehnfachen vergleichbarer kommerzieller Materialien entspricht.

Das Team für nachhaltige Metallurgie am IMDEA Materials ist für die Optimierung der LPBF-Herstellungsparameter verantwortlich. Die Forscher verwendeten eine Doppellaserscanstrategie und legten kontrollierte Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Scans fest, um das Kristallisationsrisiko durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen während des additiven Fertigungsprozesses zu verringern. Die schließlich hergestellten Proben behielten eine vollständig amorphe Struktur bei und erreichten gleichzeitig eine Materialdichte von über 92 %.

Das Forschungsteam validierte die Materialstruktur zudem mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und Atomsondentomographie. Die Testergebnisse zeigten, dass die chemischen Elemente im Inneren des Materials zufällig verteilt sind und keine erkennbare Kristallstruktur bilden, was die strukturelle Grundlage für die Erhaltung der weichmagnetischen Eigenschaften bietet. Die erreichte Koerzitivfeldstärke von 44 A/m ist einer der derzeit niedrigsten Messwerte für diese Art von 3D-gedrucktem eisenbasiertem metallischem Glas.

Bei der Verwendung von eisenbasiertem metallischem Glas in Motoren zielt man hauptsächlich auf Wirbelstromverluste und Hystereseverluste in Kernmaterialien ab. Beim herkömmlichen LPBF-Prozess kann die wiederholte thermische Zyklierung durch mehrere Laserschichten leicht zur Kristallisation des metallischen Glases führen und dessen weichmagnetische Eigenschaften beeinträchtigen. In dieser Studie wurde durch gleichzeitige Anpassung der Legierungszusammensetzung und des Druckverfahrens erreicht, dass komplex geformte weichmagnetische Bauteile nach der additiven Fertigung weiterhin eine amorphe Struktur beibehalten.

Das Projekt AM2SoftMag wird vom Europäischen Innovationsrat über das Programm HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 gefördert, Projektnummer 101046870. Zu den beteiligten Institutionen gehören die Universität des Saarlandes, IMDEA Materials, das italienische Nationale Metrologieinstitut und die Technische Universität Berlin. In der nächsten Projektphase liegt der Schwerpunkt auf der Verringerung innerer Defekte in 3D-gedruckten Bauteilen, der Vergrößerung der Fertigungsabmessungen und der Prozessskalierung sowie der Herstellung von Prototypen für Rotoren und Statoren hocheffizienter Motoren aus dem neuen Material zur Leistungsvalidierung.