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Präzisions-3D-Druck für den Umweltschutz

Demonstratorbauteile aus Kupfer und weiteren Metallen aus dem 3D-Siebdrucker. Foto: Fraunhofer-Ifam

Demonstratorbauteile aus Kupfer und weiteren Metallen aus dem 3D-Siebdrucker. Foto: Fraunhofer-Ifam

Mit hochpräzisen additiven Technologien will Fraunhofer Dresden den Stromhunger von E-Motoren dämpfen

Dresden, 25. Oktober 2021. Der metallische 3D-Druck erobert sich immer neue Einsatzfelder – zum Beispiel für winzige kleine Computerchip-Kühlkörper, Mini-Brennstoffzellen, Hochfrequenzfilter für 5G-Funk oder besonders filigrane Elektrobleche für elektrische Antriebe. „Wir können inzwischen sehr feine metallische Strukturen in 3D erzeugen“, schätzt Thomas Studnitzky ein, der im „Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung“ (Ifam) in Dresden die Gruppe für 3D-Metalldruck leitet. Durch dreidimensionalen Siebdruck mit Metallpulver-Pasten und flüssigen Organikverbindungen, aber auch durch neuartige Belichtungsverfahren wie das „Lithography-based Metal Manufacturing“ (LMM) stoße die additive Fertigung – wie 3D-Druck in der Industrie genannt wird – immer mehr in die Welt der mikroskopisch kleinen Strukturen unterhalb von einem Millimeter vor.

Thomas Studnitzky. Foto: Ifam

Thomas Studnitzky. Foto: Ifam

Einsatz in Mikrosystemtechnik und Schmuckindustrie im Blick

Gleichzeitig erreichen diese neuen Verfahren auch eine derart hohe Oberflächenqualität, dass nun neue Anwendungsgebiete, „die mit anderen additiven Technologien bisher nicht umsetzbar waren“, betonen die Ifam-Forscher. „Diese reichen von ästhetischen Anwendungen wie Schmuck über Mikrofluidik bis hin zu elektronischen Bauteilen.“

Klassische 3D-Bauteile brauchen oft einige Nacharbeit

Hintergrund: Mit klassischen additiven Verfahren wie dem Laser-Auftragsschweißen oder Pulverbett-3D-Druck ist es zwar möglich, hochkomplexe Bauteile zu erzeugen, die sich Drehen, Fräsen und Bohren oft gar nicht herstellen lassen. Oft sind diese Werkstücke aber noch recht rau, wenn sie die Laseranlagen verlassen und müssen dann noch nachgeschliffen oder poliert werden. Auf der anderen Seite ist es mittlerweile sogar möglich, metergroße Komponenten mit Metall-3D-Druckern zu produzieren. Manche experimentelle Beton -3D-Drucker auf Baustellen drucken sogar ganze Häuser. Aber an Präzision mangelt vielen dieser additiven Fertigungsmaschinen noch. Winzige Strukturen, wie sie beispielsweise in der Mikroelektronik oder in der Mikrosystemtechnik üblich sind, überfordern die allermeisten 3D-Drucker noch.

Völlig neue Fertigungsketten erwartet

Insofern haben die noch jungen Verfahren wie 3D-Siebdruck und LMM, an denen das Dresdner Institut arbeitet, laut Ifam-Einschätzung „das Potenzial, in der Zukunft zu völlig neuartigen Fertigungsketten und Produkten zu führen. Auch seien damit erhebliche Energieersparnisse und Umweltschutz-Effekte möglich, ist Thomas Studnitzky überzeugt: Denn bisher bauen Elektromotoren-Hersteller in ihre Antriebe meist Elektrobleche ein, die zugeschnitten, umgeformt und wärmebehandelt werden. Dabei entstehen Blechabfälle, auch der Energieaufwand ist hoch. Zudem kommt man mit diesen klassischen Methoden kaum unter einen Fünftel Millimeter Blechdicke.

Statorbleche für Elektromotoren aus dem 3D-Siebdrucker. Foto: Fraunhofer-Ifam

Statorbleche für Elektromotoren aus dem 3D-Siebdrucker. Foto: Fraunhofer-Ifam

Will man hingegen noch dünnere Elektrobleche haben, bei denen weniger Wirbelstromverluste auftreten, dann ist der 3D-Siebdruck eine echte Alternative. Das Ifam arbeitet derzeit gemeinsam mit Siemens und weiteren Partnern im Projekt „Effiblech“ daran, 3D-gedruckte Elektrobleche zur Serienreife zu führen. Wenn das gelinge, seien erhebliche Energie- und Kohlendioxid-Einsparungen möglich, meint Studnitzky: Immerhin sprechen wir hier von Industriemotoren, die 24 Stunden am Tag und sieben Tage die Woche in Betrieb sind – und das sehr lange“, sagt er. Auf ein ganzes Motorenleben und Hunderttausende oder gar Millionen Elektromotoren weltweit hochgerechnet, kann jeder Effizienzgewinn große globale Wirkungen haben.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: Morning Science Fraunhofer Dresden, Ifam