Supermagnete: Nachhaltigere Werkstoffe aus dem 3D-Drucker

• 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, Supermagnete 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 häufiger an ihre Grenzen. Additive Fertigungstechnologien hingegen bieten für Supermagnete die notwendige Gestaltungsfreiheit, um Magnete herzustellen, die an die jeweiligen Anforderungen optimal angepasst sind.

Supermagnete nach Maß

Forschenden der TU Graz ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und 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 Forschenden 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 aufwändig 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.

Mit der Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks zu magnetischeren Materialien

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.“

Bild oben: An der TU Graz wurden erstmals miniaturisierte Supermagnete mittels laserbasiertem 3D-Druck hergestellt. © IMAT – TU Graz

Zur Originalpublikation von Mateusz Skalon „Influence of Melt-Pool Stability in 3D Printing of NdFeB Magnets on Density and Magnetic Properties” in Materials 2020, 13, 139; [doi:10.3390/ma13010139]

Weitere Informationen: https://www.tugraz.at/institutes/imat/home/

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