In diesem ausführlichen Beitrag untersucht Professor Nick Simpson von der Universität Bristol, wie die additive Fertigung die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen neu definiert und warum schrittweise Verbesserungen nicht ausreichen werden, um die für das nächste Jahrzehnt festgelegten Ziele hinsichtlich der Leistungsdichte zu erreichen.
In Branchen wie der Elektrofliegerei, dem Hochleistungsautomobilbau und der Schifffahrt werden Ingenieure aufgefordert, Maschinen zu entwickeln, die nicht nur effizienter, sondern auch deutlich leichter und leistungsstärker sind. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind Leistungsdichten erforderlich, die weit über den heutigen Stand der Technik hinausgehen. Nick Simpson, Professor für Elektromaschinen an der Universität Bristol, einem Bildungspartner der CWIEME Berlin, erklärt, warum dies eine Steigerung der Leistungsdichte über das derzeitige Niveau hinaus erfordert.
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Laut den britischen Technologie-Roadmaps des Advanced Propulsion Centre und des Aerospace Technology Institute müssen Elektromotoren bis 2035 eine Leistungsdichte zwischen 9 und 25 kW/kg erreichen. Das entspricht einer bis zu fünffachen Steigerung gegenüber dem derzeit verfügbaren Niveau. Mit schrittweisen Verbesserungen allein wird die Branche dieses Ziel nicht erreichen. Es sind radikalere Maßnahmen erforderlich.
Überdenken der Leistungsdichte
Die Massenleistungsdichte ist das Verhältnis zwischen der von einer Maschine erzeugten Leistung und ihrer eigenen Masse und wird in der Regel in kW/kg gemessen. Herkömmliche Fertigungsmethoden unterliegen geometrischen und materialtechnischen Einschränkungen, die das Ausmaß, in dem dieses Verhältnis gesteigert werden kann, begrenzen. Die additive Fertigung (AM) hingegen bietet Konstrukteuren wesentlich mehr Freiheit.
Elektrische Maschinen bestehen sowohl aus passiven Komponenten wie Gehäusen und Strukturelementen als auch aus aktiven Komponenten wie Wicklungen, Elektrostählen 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 erheblich reduziert wird.
Gleichzeitig ermöglicht AM die direkte Integration von Kühlkanälen und -mänteln in Strukturen und deren präzise Platzierung genau dort, wo Wärme erzeugt wird. Ein verbessertes Wärmemanagement ist von entscheidender Bedeutung, da Temperaturgrenzen oft die entscheidende Einschränkung für die Leistungsdichte darstellen. Die größte Chance für Veränderungen liegt jedoch in den aktiven Komponenten.
Neue Geometrien
Die Konstruktion herkömmlicher Elektromaschinen wird stark davon beeinflusst, wie Komponenten hergestellt werden können. Wicklungen werden beispielsweise in der Regel durch Wickeln runder oder rechteckiger Leiter hergestellt, ein Prozess, der zwar hochgradig automatisiert ist, aber von Natur aus einschränkend wirkt.
Die additive Fertigung verändert dies grundlegend. Wenn Wicklungen gedruckt werden können, lassen sie sich in nahezu jeder Geometrie herstellen. Einzelne Leiter können so geformt und positioniert werden, dass gleichzeitig die elektromagnetische Leistung, das thermische Verhalten und die mechanische Integrität optimiert werden.
Diese geometrische Freiheit ermöglicht es Ingenieuren, völlig neue Maschinentopologien zu erforschen und den Magnetfluss und den elektrischen Strom auf eine Weise zu lenken, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken einfach nicht möglich ist. Anstatt die Konstruktionen an den Prozess anzupassen, ermöglicht die additive Fertigung, dass der Prozess der Konstruktion folgt.
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Vom Prototyp bis zur Produktion
Die additive Fertigung wird oft in erster Linie als Prototyping-Werkzeug angesehen, und ihr Wert in dieser Rolle ist unbestreitbar. Da es sich bei AM um einen vollständig digitalen Prozess handelt, werden die Werkzeugkosten drastisch reduziert. Entwürfe können schnell iteriert, digital aktualisiert und physisch getestet werden, und das zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden.
Allerdings geht die additive Fertigung zunehmend über die Prototypenentwicklung hinaus und findet zunehmend Anwendung in der Endproduktion, insbesondere für leistungsstarke Anwendungen mit geringen Stückzahlen. Bei elektrischen Maschinen wurde dieser Übergang durch die Notwendigkeit vorangetrieben, Fertigungsbeschränkungen vollständig zu beseitigen und von einem leeren Designblatt auszugehen.
Indem sie die additive Fertigung als produktionsreifes Verfahren und nicht als experimentelles Verfahren betrachten, können Forscher und Ingenieure evaluieren, wie eine elektrische Maschine aussehen könnte, wenn die Geometrie nicht mehr der begrenzende Faktor wäre.
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Durchbruch bei den Materialien
In der Vergangenheit stellte die Materialleistung ein erhebliches Hindernis für den Einsatz der additiven Fertigung in elektrischen Anwendungen dar. Während Strukturmaterialien wie Aluminium und Stahl mittlerweile mit konventionell hergestellten Äquivalenten gleichwertig sind, stellten hochleitfähige Materialien wie Kupfer eine größere Herausforderung dar.
Die hohe Reflektivität und Wärmeleitfähigkeit von Kupfer erschwerten die Verarbeitung mit herkömmlichen Laser-Pulverbett-Fusionstechniken. In den letzten Jahren konnten jedoch viele dieser Einschränkungen durch Fortschritte wie leistungsstärkere Laser, alternative Wellenlängen und neue AM-Verfahren, darunter Binder Jetting, überwunden werden.
Heute können additiv gefertigte Kupfer- und Aluminiumleiter eine mit gezogenen Materialien vergleichbare Leistung erzielen, wodurch ein entscheidendes Hindernis für die Einführung beseitigt wurde. Dies ist von entscheidender Bedeutung: Ohne eine mit den bestehenden Materialien vergleichbare Leistungsfähigkeit werden selbst die innovativsten Geometrien keine industrielle Akzeptanz finden.
Weiche und harte magnetische Materialien 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. Obwohl die Forschung weltweit voranschreitet, handelt es sich hierbei eher um einen aktiven Entwicklungsbereich als um ein gelöstes Problem.
Herausforderungen bei der Adoption
Trotz ihres vielversprechenden Potenzials hat sich die additive Fertigung in der Elektromaschinenindustrie nur relativ langsam durchgesetzt. Dies ist nicht auf Innovationsresistenz zurückzuführen, sondern vielmehr auf die Realität der industriellen Entscheidungsfindung.
Die additive Fertigung erfordert erhebliche Kapitalinvestitionen, Fachwissen, neue Gesundheits- und Sicherheitsmaßnahmen sowie komplexe Nachbearbeitungsschritte. Da es relativ wenige groß angelegte kommerzielle Erfolgsgeschichten in der Elektromaschinenindustrie 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 in den Bereichen Elektromagnetik, Materialwissenschaft, Wärmemanagement und computergestütztes Design. Die Auslagerung der Produktion an externe Druckdienstleister ist möglich, aber ohne internes Know-how kann es schwierig sein, konsistente, leistungsstarke Ergebnisse zu erzielen.
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Branchenkooperation
Universitäten spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der technischen und fachlichen Herausforderungen im Zusammenhang mit der additiven Fertigung. Über die Entwicklung neuer Verfahren und Materialien hinaus sind sie für die Ausbildung von Ingenieuren verantwortlich, die im Paradigma des digitalen Designs und der digitalen Fertigung arbeiten können.
Die additive Fertigung verdrängt zunehmend traditionelle, vom Menschen gesteuerte CAD-Ansätze durch rechnergestützte und algorithmische Konstruktionsmethoden. Dies stellt eine tiefgreifende Veränderung in der Art und Weise dar, wie Ingenieure Komponenten konzipieren, entwerfen und optimieren, und es wird einige Zeit dauern, bis Industrie und Bildung vollständig aufeinander abgestimmt sind.
Branchenveranstaltungen wie die CWIEME Berlin bieten eine wichtige Plattform für diese Abstimmung. Sie ermöglichen Forschern, Herstellern und Zulieferern den Austausch von Wissen, die Identifizierung von Engpässen und die Erforschung, wie neue Technologien in reale Anwendungen umgesetzt werden können.
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Ausblick
In den nächsten fünf bis zehn Jahren wird die additive Fertigung wahrscheinlich zu einem Standardwerkzeug für die Herstellung von Hochleistungs-Komponenten für elektrische Maschinen werden, insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Premium-Automobilindustrie und der Schifffahrt.
Großformatige AM-Systeme, verbesserte Produktivität und größere Wiederholbarkeit der Prozesse werden die Palette der herstellbaren Komponenten erweitern. Insbesondere additiv gefertigte Wicklungen bieten das Potenzial für erhebliche Steigerungen bei Effizienz, thermischer Leistung und Leistungsdichte.
Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die additive Fertigung herkömmliche Verfahren vollständig ersetzen wird. Stattdessen wird sie als ergänzende Technologie dienen, die bei Bedarf extreme Leistungen ermöglicht und gleichzeitig zu besser herstellbaren Konstruktionen beiträgt, die einen Großteil der Vorteile zu geringeren Kosten bieten.
In diesem Sinne ist die additive Fertigung nicht nur eine Fertigungslösung. Sie ist eine Linse, durch die die Elektrotechnik-Community neu überdenken kann, wozu elektrische Maschinen in der Lage sind und wie nah sie den Anforderungen einer vollständig elektrifizierten Zukunft kommen können.
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