Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAMIn der Arbeitsgruppe Weichmagnetische Werkstoffe werden innovative Pulvertechnologien zur Herstellung weichmagnetischer Komponenten mit reduzierten Verlusten oder besonderem Eigenschaftsprofil eingesetzt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, insbesondere dem anvisierten Frequenzbereich, werden unterschiedliche Konzepte verfolgt. Allen gemein ist die pulvermetallurgische Fertigung, die die endkonturnahe Herstellung aus einem breiten Werkstoff-Portfolio ermöglicht. Dabei handelt es sich zumeist um eisenbasierte Legierungssysteme. Die Komponenten können je nach Konzept über verschiedenste Verfahren gefertigt werden. Ein wichtiger Schwerpunkt ist die Entwicklung von Pulververbundwerkstoffen mit anorganischer Beschichtung für hohe Frequenzbereiche.
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Weichmagnetische Werkstoffe
Pulvermetallurgische Fertigungsverfahren zur Herstellung weichmagnetischer Komponenten
3D siebgedrucktes Stator- und Rotorblech eines Motors (PMSM)
Presse mit Werkzeug für Ringkerne
- Konventionelles Pressen (100 t) wird zur Herstellung von Pulververbundwerkstoffen (Soft Magnetic Composites) insbesondere für isotrope Weichmagnete mit niedrigsten Verlusten bei hohen Frequenzen eingesetzt.
- Additive Fertigung: Am Fraunhofer IFAM gibt es binderbasierte und pulverbettbasierte Verfahren zur additiven Fertigung von Komponenten. Der 3D-Siebdruck wird zur Herstellung von Elektroblechen in maßgeschneiderter Zusammensetzung und Dicke eingesetzt. Somit lassen sich die frequenzabhängigen Verluste reduzieren und bei Bedarf die Festigkeit erhöhen. Das Elektronenstrahlschmelzen dient ebenfalls zur Fertigung weichmagnetischer Komponenten mit besonderer Werkstoffzusammensetzung, die sich auf konventionellem Wege nicht fertigen lassen.
- Zur Erzeugung von Pulververbundwerkstoffen mit besonderem Eigenschaftsprofil wird das feldunterstütze Sintern (FAST/SPS) eingesetzt.
- Üblicherweise müssen die weichmagnetischen Komponenten nach der Fertigung einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die bestmöglichen weichmagnetischen Eigenschaften zu erzielen. Es stehen verschiedenste Öfen für die Realisierung des jeweiligen Temperaturprofils in gewünschter Atmosphäre zur Verfügung.
Charakterisierung weichmagnetischer Komponenten
Ringkerne - unbewickelt und bewickelt für die magnetische Charakterisierung
B-H-Kurven bei unterschiedlichen Frequenzen
Streifentester für die magnetische Charakterisierung
- Pulvercharakterisierung: Im akkreditierten Labor wird das Eingangspulver umfassend charakterisiert und bewertet. Dies beinhaltet die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Schüttdichte, Fließfähigkeit, Zusammensetzung u.v.m.
- Strukturelle Charakterisierung der Komponenten: Die erzeugten Testkomponenten können umfassend charakterisiert werden, um die strukturellen Eigenschaften zu bewerten. Dabei ist in besonderem Maße die Korrelation der Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen essenziell, so dass Aufnahmen von Probenschliffen im Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop aufschlussreiche Erkenntnisse liefern können. Aufgrund des hohen Einflusses von Verunreinigungen ist auch die Elementaranalyse zur Bestimmung des Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts ein wichtiges Instrument.
- Magnetische Charakterisierung der Komponenten: Die Charakterisierung der entscheidenden weichmagnetischen Parameter erfolgt anhand der Aufnahme von B-H-Kurven an Streifen oder Ringproben im Gleich- und Wechselfeld. Entscheidend für Rückschlüsse auf die Prozessierung sind dabei insbesondere die Koerzitivfeldstärke und die Permeabilität. Die frequenzabhängigen Verluste in der gewünschten Aussteuerung sowie die Bestimmung des spez. el. Widerstand sind weitere wichtige Kennwerte, die ermittelt werden können.
- Mechanische Charakterisierung der Komponenten: Die Komponenten können weiterhin in angepassten Geometrien mittels Zug- oder Druckprüfung hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit bewertet werden. Auch die Bestimmung von Härtewerten ist ein gängiges Verfahren zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften.
Schliff Pulververbundwerkstoff (Differentialinterferenzkontrast)
Schliff Pulververbundwerkstoff (Dunkelfeld)
Schliff Pulververbundwerkstoff (Differentialinterferenzkontrast)
Die Arbeitsgruppe »Weichmagnetische Werkstoffe« von Dr. Inge Lindemann-Geipel erforscht die pulvermetallurgische Fertigung anwendungsrelevanter Werkstoffkonzepte für die Fertigung verlustoptimierter weichmagnetischer Komponenten. In der Abteilung »Sinter- und Verbundwerkstoffe« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how und neueste Technologien der Pulverprozessierung, die auch die generative Fertigung berücksichtigt. Die Anwendungsfelder reichen von der Elektromobilität bis zu modernen Energiewandlern in elektrischen Maschinen.
Das Projekt „WeiMag – Gezielte Eigenschaftsverbesserung durch innovative Pulvertechnologien“ (600420) wird intern über das Fraunhofer Attract Programm gefördert.