In 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 den heutigen Stand der Technik hinausgehen. Hier erläutert Nick Simpson, Professor für Elektromaschinen an der Universität Bristol, einem Bildungspartner der CWIEME Berlin, warum dies eine Steigerung der Leistungsdichte über das derzeitige Niveau hinaus erfordert.
 

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. Schrittweise Verbesserungen allein werden die Branche nicht ans Ziel bringen. Es bedarf radikalerer Maßnahmen.

Leistungsdichte neu überdenken 

Die Leistungsdichte ist das Verhältnis zwischen der von einer Maschine erzeugbaren Leistung und ihrer eigenen Masse und wird üblicherweise in kW/kg gemessen. Herkömmliche Fertigungsverfahren bringen geometrische und werkstofftechnische Einschränkungen mit sich, die begrenzen, wie weit dieses Verhältnis gesteigert werden kann. 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 AM 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 AM 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 hochautomatisiert, aber von Natur aus einschränkend ist.

Die additive Fertigung ändert dies grundlegend. Wenn Wicklungen gedruckt werden können, lassen sie sich in nahezu jeder 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 Magnetfluss und 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 der Prozess der Konstruktion folgt.

Vom Prototypenbau bis zur Serienfertigung

Die additive Fertigung wird oft in erster Linie als Werkzeug zur Prototypenentwicklung angesehen, und ihr Wert in dieser Rolle ist unbestreitbar. Da es sich bei der additiven Fertigung um einen vollständig digitalen Prozess handelt, werden die Werkzeugkosten drastisch reduziert. Entwürfe lassen sich schnell iterieren, digital aktualisieren und physisch testen – und das zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden.

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

Indem sie die additive Fertigung als serienreifen Prozess und nicht als experimentellen Prozess betrachten, können Forscher und Ingenieure evaluieren, wie eine elektrische Maschine aussehen könnte, wenn die Geometrie nicht mehr der begrenzende Faktor wäre.

Durchbruch bei den Materialien

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 mit konventionell gefertigten Äquivalenten gleichwertig sind, 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 Kupfer- und Aluminiumleiter 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 werden selbst die innovativsten Geometrien keine industrielle Akzeptanz finden.

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

Herausforderungen bei der Adoption 

Trotz ihres Potenzials hat sich die additive Fertigung bei elektrischen Maschinen nur relativ langsam durchgesetzt. Dies ist nicht auf Innovationswiderstand zurückzuführen, sondern auf die Realitäten der industriellen Entscheidungsfindung.

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

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

Branchenkooperation

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

Die additive Fertigung verdrängt zunehmend traditionelle, vom Menschen gesteuerte CAD-Ansätze durch computergestützte und algorithmische Entwurfsmethoden. Dies stellt einen tiefgreifenden Wandel in der Art und Weise dar, wie Ingenieure Komponenten konzipieren, entwerfen 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 erörtern, wie neue Technologien in praktische Anwendungen umgesetzt werden können.

Ausblick

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, der Premium-Automobilindustrie 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, während sie 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 in der Messe Berlin stattfindet. Um mehr zu erfahren und dem Trend einen Schritt voraus zu sein, registrieren Sie sich noch heute für ein Besucherticket.