In verschiedenen Branchen wie der elektrischen Luftfahrt, dem Hochleistungs-Automobilbau und der Schifffahrt sind Ingenieure gefordert, Maschinen zu entwickeln, die nicht nur effizienter, sondern auch deutlich leichter und leistungsstärker sind. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind Leistungsdichten erforderlich, die weit über dem liegen, was heute als Stand der Technik gilt. Hier erklärt Nick Simpson, Professor für Elektromaschinen an der Universität Bristol, einem Bildungspartner der CWIEME Berlin, warum dies bedeutet, die Leistungsdichte über das derzeitige Niveau hinaus zu steigern.
 

Laut den britischen Technologie-Roadmaps des Advanced Propulsion Centre und des Aerospace Technology Institute müssen elektrische Maschinen bis 2035 Leistungsdichten zwischen 9 und 25 kW/kg erreichen. Das entspricht einer bis zu fünffachen Steigerung gegenüber dem derzeitigen Stand. Mit schrittweisen Verbesserungen allein wird die Branche dieses Ziel nicht erreichen. Es sind radikalere Maßnahmen erforderlich.

Die Leistungsdichte neu überdenken 

Die Leistungsdichte pro Masse ist das Verhältnis zwischen der von einer Maschine erzeugbaren Leistung und ihrer eigenen Masse und wird in der Regel in kW/kg gemessen. Herkömmliche Fertigungsverfahren bringen geometrische und werkstoffbezogene Einschränkungen mit sich, die die Ausprägung dieses Verhältnisses begrenzen. Die additive Fertigung (AM) bietet Konstrukteuren dagegen wesentlich mehr Freiheit.

Elektrische Maschinen bestehen sowohl aus passiven Komponenten wie Gehäusen und Strukturelementen als auch aus aktiven Komponenten wie Wicklungen, Elektrostahl und Permanentmagneten. Auf der passiven Seite ermöglicht die additive Fertigung eine fortschrittliche Gewichtsreduzierung durch Gitter- und Gyroidstrukturen. Diese ermöglichen es, Material dort zu entfernen, wo es mechanisch nicht benötigt wird, wodurch die Steifigkeit erhalten bleibt und gleichzeitig die Masse deutlich reduziert wird.

Gleichzeitig ermöglicht die additive Fertigung die direkte Integration von Kühlkanälen und -mänteln in die Strukturen und deren präzise Platzierung genau dort, wo Wärme entsteht. Ein verbessertes Wärmemanagement ist entscheidend, da Temperaturgrenzen oft die entscheidende Einschränkung für die Leistungsdichte darstellen. Die größte Chance für einen Wandel liegt jedoch in den aktiven Komponenten.

Neue Geometrien

Die Konstruktion herkömmlicher elektrischer Maschinen wird stark davon beeinflusst, wie die Komponenten hergestellt werden können. Wicklungen werden beispielsweise in der Regel durch das Aufwickeln runder oder rechteckiger Leiter hergestellt – ein Prozess, der zwar hochgradig automatisiert ist, aber von Natur aus Einschränkungen mit sich bringt.

Die additive Fertigung ändert dies grundlegend. Wenn Wicklungen gedruckt werden können, lassen sie sich in nahezu jeder beliebigen Geometrie herstellen. Einzelne Leiter können so geformt und positioniert werden, dass elektromagnetische Leistung, thermisches Verhalten und mechanische Integrität gleichzeitig optimiert werden.

Diese geometrische Freiheit ermöglicht es Ingenieuren, völlig neue Maschinentopologien zu erforschen und den Magnetfluss sowie den elektrischen Strom auf eine Weise zu lenken, die mit traditionellen Fertigungstechniken schlichtweg nicht möglich ist. Anstatt Konstruktionen an den Prozess anzupassen, ermöglicht die additive Fertigung, dass sich der Prozess an die Konstruktion anpasst.

Vom Prototypenbau bis zur Serienfertigung

Die additive Fertigung wird oft in erster Linie als Werkzeug zur Prototypenerstellung angesehen, und ihr Nutzen in dieser Rolle ist unbestreitbar. Da es sich bei der additiven Fertigung um einen vollständig digitalen Prozess handelt, lassen sich die Werkzeugkosten drastisch senken. Entwürfe können schnell iteriert, digital aktualisiert und physisch getestet werden – und das zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Verfahren.

Die additive Fertigung geht jedoch zunehmend über das Prototyping hinaus und hin zur Endproduktionsanwendung, insbesondere bei leistungsstarken Anwendungen mit geringen Stückzahlen. Bei elektrischen Maschinen wurde dieser Wandel durch die Notwendigkeit vorangetrieben, Fertigungsbeschränkungen vollständig zu beseitigen und bei Null anzufangen.

Indem sie die additive Fertigung als serienreifen Prozess und nicht als experimentelles Verfahren betrachten, können Forscher und Ingenieure untersuchen, wie eine elektrische Maschine aussehen könnte, wenn die Geometrie kein begrenzender Faktor mehr wäre.

Durchbruch bei den Werkstoffen

In der Vergangenheit stellte die Materialleistung ein erhebliches Hindernis für den Einsatz der additiven Fertigung in elektrischen Anwendungen dar. Während Strukturwerkstoffe wie Aluminium und Stahl mittlerweile das Niveau konventionell gefertigter Äquivalente erreicht haben, stellten hochleitfähige Materialien wie Kupfer größere Herausforderungen dar.

Die hohe Reflektivität und Wärmeleitfähigkeit von Kupfer erschwerten dessen Verarbeitung mit herkömmlichen Laser-Pulverbett-Fusionsverfahren. In den letzten Jahren haben jedoch Fortschritte wie leistungsstärkere Laser, alternative Wellenlängen und neue AM-Verfahren, darunter das Binder-Jetting, viele dieser Einschränkungen überwunden.

Heute können additiv gefertigte Leiter aus Kupfer und Aluminium eine Leistung erzielen, die mit der von gezogenen Materialien vergleichbar ist, wodurch eine entscheidende Hürde für die Einführung beseitigt wurde. Dies ist von entscheidender Bedeutung: Ohne eine gleichwertige Materialleistung wie bei herkömmlichen Materialien werden selbst die innovativsten Geometrien keine industrielle Akzeptanz finden.

Weich- und hartmagnetische Werkstoffe stellen nach wie vor eine größere Herausforderung dar. Herkömmliche laminierte Elektrostähle sind speziell darauf ausgelegt, Wirbelstromverluste zu reduzieren, und es ist komplex, dieses Verhalten durch additive Fertigung nachzubilden. Zwar schreitet die Forschung weltweit voran, doch handelt es sich hierbei nach wie vor um einen aktiven Entwicklungsbereich und nicht um ein gelöstes Problem.

Herausforderungen bei der Adoption 

Trotz ihres Potenzials verläuft die Einführung der additiven Fertigung bei elektrischen Maschinen relativ schleppend. Dies ist nicht auf Innovationswiderstand zurückzuführen, sondern vielmehr auf die Realitäten der industriellen Entscheidungsfindung.

Die additive Fertigung erfordert erhebliche Kapitalinvestitionen, Fachwissen, neue Gesundheits- und Sicherheitsmaßnahmen sowie komplexe Nachbearbeitungsschritte. Da es im Bereich der elektrischen Maschinen vergleichsweise wenige groß angelegte kommerzielle Erfolgsgeschichten gibt, bleiben viele Hersteller vorsichtig.

Eine weitere Herausforderung liegt in der Qualifikationslücke. Die Konstruktion für die additive Fertigung, insbesondere für aktive elektrische Komponenten, erfordert Fachwissen, das sich über Elektromagnetik, Materialwissenschaft, Wärmemanagement und computergestütztes Design erstreckt. Die Auslagerung der Produktion an externe Druckdienstleister ist zwar möglich, doch ohne internes Fachwissen kann es schwierig sein, konsistente und leistungsstarke Ergebnisse zu erzielen.

Branchenkooperation

Universitäten spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung sowohl der technischen als auch der kompetenzbezogenen Herausforderungen im Zusammenhang mit der additiven Fertigung. Über die Entwicklung neuer Verfahren und Materialien hinaus sind sie dafür verantwortlich, Ingenieure auszubilden, die in einem Paradigma der digitalen Konstruktion und digitalen Fertigung arbeiten können.

Die additive Fertigung verdrängt zunehmend traditionelle, vom Menschen gesteuerte CAD-Ansätze zugunsten computergestützter und algorithmischer Konstruktionsmethoden. Dies stellt einen tiefgreifenden Wandel in der Art und Weise dar, wie Ingenieure Bauteile konzipieren, konstruieren und optimieren, und es wird einige Zeit dauern, bis sich Industrie und Bildung vollständig darauf eingestellt haben.

Branchenveranstaltungen wie die CWIEME Berlin bieten eine wichtige Plattform für diese Angleichung. Sie ermöglichen es Forschern, Herstellern und Zulieferern, Wissen auszutauschen, Engpässe zu identifizieren und zu untersuchen, wie neue Technologien in praktische Anwendungen umgesetzt werden können.

Ein Blick in die Zukunft

In den nächsten fünf bis zehn Jahren dürfte sich die additive Fertigung zu einem Standardverfahren für die Herstellung von Hochleistungskomponenten für elektrische Maschinen entwickeln, insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Premium-Automobilbau und der Schifffahrt.

Großformatige AM-Systeme, eine verbesserte Produktivität und eine höhere Prozesswiederholbarkeit werden das Spektrum der herstellbaren Komponenten erweitern. Insbesondere additiv gefertigte Wicklungen bieten das Potenzial für erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Effizienz, thermischer Leistung und Leistungsdichte.

Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die additive Fertigung herkömmliche Verfahren vollständig ersetzen wird. Stattdessen wird sie als ergänzende Technologie fungieren, die bei Bedarf extreme Leistungsfähigkeit ermöglicht und gleichzeitig zu besser herstellbaren Konstruktionen beiträgt, die einen Großteil des Nutzens zu geringeren Kosten bieten.

In diesem Sinne ist die additive Fertigung nicht nur eine Fertigungslösung. Sie ist eine Perspektive, durch die die Elektrotechnik-Community neu überdenken kann, wozu elektrische Maschinen fähig sind und wie nah sie daran kommen können, die Anforderungen einer vollständig elektrifizierten Zukunft zu erfüllen.

Die additive Fertigung wird ein Schwerpunkt der CWIEME Berlin sein, die vom 19. bis 21. Mai 2026 auf der Messe Berlin stattfindet. Um mehr zu erfahren und dem Trend einen Schritt voraus zu sein, sichern Sie sich noch heute Ihr Besucherticket.