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Nachhaltige Magnete

3D-Druck macht Seltene Erden überflüssig

30. Januar 2020, 09:03 Uhr   |  Heinz Arnold

3D-Druck macht Seltene Erden überflüssig
© IMAT – TU Graz

Im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz forscht Siegfried Arneitz an alternativen Magnetwerkstoffen aus dem 3D-Druck.

Forschern der TU Graz ist es gelungen, eisen- und kobaltbasierten Magneten im 3D-Druck herzustellen – ohne Seltene Erden.

Bei den eisen- und kobaltbasierten Magneten (Fe-Co-Magnete) handelt es sich um vielversprechende Alternativen zu NdFeB-Magneten. In doppelter Hinsicht: Der Abbau von Seltenen Erden ist aufwendig und wenig nachhaltig, das Recycling dieser Metalle steckt noch in den Kinderschuhen. Fe-Co-basierte Magnete hingegen sind für die Umwelt weit weniger bedenklich. Außerdem verlieren Seltenerdmetalle mit steigender Temperatur ihre magnetischen Eigenschaften, während spezielle Fe-Co basierte Legierungen selbst bei Temperaturen von 200 bis 400 Grad Celsius ihre magnetische Leistung behalten und sich durch eine gute Temperaturstabilität auszeichnen.

Deshalb widmet sich Siegfried Arneitz, Doktorand am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz, in seiner Dissertation dem 3D-Druck dieser Fe-Co-Magnete). Erste Ergebnisse stimmen Arneitz zuversichtlich: »Bisherige theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien sogar um das Doppelte bis Dreifache gesteigert werden können. Mit der Gestaltungsfreiheit, die der 3D-Druck bietet, sind wir zuversichtlich, diesem Ziel näher kommen zu können. In Kooperation mit verschiedenen Instituten werden wir weiter an diesem Thema arbeiten, um zukünftig für jene Bereiche alternative Magnetwerkstoffe anbieten zu können, in denen Neodym-Eisen-Bor-Magneten nicht notwendig sind.«

In seiner Arbeit baut Arneitz auf den bisherigen Forschungsergebnissen der TU Graz zur Fertigung von Magneten im 3D-Druck auf. Denn einer Gruppe der TU Graz ist es gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Universitäten Wien und Erlangen-Nürnberg sowie mit einem Team von Joanneum Research gelungen, Supermagnete mittels laserbasiertem 3D-Druck herzustellen. Dabei wird Metallpulver des magnetischen Materials schichtweise aufgetragen, die Partikel werden durch Schmelzen miteinander verbunden. So entsteht ein Bauteil, das zur Gänze aus Metall besteht. Das Verfahren ist so fortgeschritten, dass die Forscher Magnete mit hoher relativer Dichte drucken und zugleich deren Mikrostruktur kontrollieren können.

»Die Kombination dieser beiden Eigenschaften garantiert einen effizienten Materialeinsatz, weil wir damit die magnetischen Eigenschaften exakt auf die jeweilige Anwendung zuschneiden können«, erklären Siegfried Arneitz und Mateusz Skalon, ebenfalls vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz.

Die Forschungsgruppe konzentrierte sich zunächst auf die Produktion von Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB-Magneten). Neodym zählt zur Gruppe der Seltenen Erden und bildet aufgrund seiner chemischen Eigenschaften die Basis für viele starke Dauermagnete, die in Computern, Smartphones und anderen wichtigen Anwendungen unersetzlich sind. Es gibt jedoch auch Anwendungen wie beispielsweise elektrische Bremsen, Magnetschalter oder bestimmte Elektromotorsysteme, in denen die magnetische Stärke von NdFeB-Magneten nicht benötigt und auch nicht gewünscht ist. Die Originalpublikation von Mateusz Skalon ist unter dem Titel »Influence of Melt-Pool Stability in 3D Printing of NdFeB Magnets on Density and Magnetic Properties« in Materials 2020, 13, 139 erschienen.

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