Pure Iron and Fe-Si Alloys: Soft Magnetic Materials for Electric Motors

In massiven magnetischen Leitern induziert ein magnetisches Wechselfeld kreisförmige Wirbelströme, die das Bauteil aufheizen und den Wirkungsgrad senken. Da 3D-Druckteile massiv sind, nutzt man algorithmisches Design: In den Statorkern werden haarfeine, nicht durchgehende Luftschlitze (Breite 0.15 bis 0.3 mm) eingedruckt. Diese Schlitze unterbrechen den Wirbelstromkreis genauso effektiv wie klassischer Isolierlack zwischen Blechen, erlauben dem Magnetfeld aber dreidimensionalen Fluss.

Bei einem Siliziumgehalt von 6.7 Gew.-% erreicht Eisen seine physikalische Perfektion: Die Magnetostriktion sinkt auf exakt Null (Motor brummt nicht mehr akustisch), der elektrische Widerstand steigt drastisch an (Verluste minimiert) und die Hysterese ist extrem schmal. Konventionell lässt sich dieser Werkstoff nicht zu Blechen walzen, da er glashart und spröde ist. Mit LPBF und einer beheizten Bauplatte (300 bis 400 °C) lässt sich Fe-6.7%Si rissfrei direkt in die Endkontur drucken.

Im as-built Zustand führen hohe Versetzungsdichten und mikroskopische Eigenspannungen zu einer hohen Koerzitivfeldstärke (schlechte Magnetisierbarkeit). Ein magnetisches Schlussglühen im Vakuum- oder Wasserstoffofen bei 1.100 °C bis 1.250 °C baut Versetzungen ab und lässt die Körner auf über 100 bis 300 µm anwachsen. Erst durch dieses Riesenkorngefüge wird das Material extrem weichmagnetisch (Hc < 40 A/m).