百聞不如一見！德國科學家用3D列印製造出高效輕便的電機

德國研究人員正在使用多種材料的3D列印技術來製造電動機的部件，他們預測，這將導致功率密度更高，過載能力更強的輕型電機。

開姆尼茨技術大學電力轉換系統和驅動系的Johannes Rudolph和Fabian Lorenz 相信，他們將導電金屬材料層和絕緣陶瓷結合起來的技術可以研製出新型電機。Lorenz說：「我們有能力製造出具備有高功率密度的機器類型。」

例如，橫向磁通電機迄今被證明過於複雜，無法大批量生產，但可以通過使用新技術生產，從而使機器具有比現有徑向磁通機器更高的力密度，且不需要昂貴的稀土磁體。

導電層和絕緣層是使用金屬和陶瓷漿料製成的，這些漿料通過擠壓工藝形成層，然後燒結。不同的材料可以在一個操作中列印。

Lorenz解釋說：「導體的陶瓷絕緣層可以顯著提高應用溫度，改善導熱性，從而提高功率密度。另外，還可以集成冷卻管道，在那裡產生餘熱，進一步提高功率密度。

該系負責人Ralf Werner教授指出，使用傳統的生產技術來提高電機效率是非常困難的，最多只可以增加1%的電機效率，而但這通常會增加生產和材料成本。

自2015年以來，開姆尼茨的研究人員就一直致力於自己的技術研發，他們已經生產了陶瓷絕緣線圈，他們堅信可以使用他們的技術製造出完整的電機。他們正在將第三個組件 - 磁性活性鐵 - 整合到印刷工藝中。

3D列印過程無需複雜的電工鋼片的封裝和將繞組引入常規電機。該技術可用於引導三維磁通量產生扭矩，也可以將冷卻通道結合到電動機的線圈或疊層鐵芯中，並將繞組結合到使用傳統製造方法所無法接近的電機部件中。

因此，這種技術的應用可以優化電機的操作環境，同時具有降低電機重量的能力，這可能會是航空航天應用領域特別感興趣的。

最初，研究人員嘗試使用自己的手工擠出機，但它們無法在高粘性金屬和陶瓷漿料的配量中達到預期的精度。

Werner解釋說：「印刷電機的過程中，要克服的最大障礙是陶瓷和銅的配對是一個特殊的問題，因為它們的物理性質非常不同。

Fabian Lorenz(左)和Johannes Rudolph

所面臨的挑戰是如何最佳地協調材料的機械和物理性能。此外，使用擠出工藝，所用的印刷材料中的漿料必須具備「流動性」，而為了達到擠出後所需的設計要求，其形狀穩定性也是必不可少的。

德國研究人員開發的添加劑生產工藝，可以讓不同的陶瓷和金屬材料組合，以一種傳統生產方法無法實現的方式一起使用。他們通過一系列的實驗，已成功研製出可以用於印刷過程的漿料形式的金屬和陶瓷材料。

除了優化3D列印的材料性能之外，研究人員還必須控制乾燥和燒結過程中材料的收縮，在他們的報告中提到，「這已經被證明是非常困難的」。但是，通過設定燒結爐內的溫度使其與膏體特性相匹配，就能克服這個問題。此外，溫度的變化可以用來優化材料的性能，以達到更高的功率密度。

計量精度和精確度對於電機印刷過程來說是至關重要。Rudolph和Lorenz發現，ViscoTec擠出機印刷頭(專為處理粘性糊狀物而設計)改善了每條生產線的起點和終點，從而實現了均勻的印刷。噴頭還允許在印刷過程中調節體積流量，以達到所需的特性。

德國研究人員表示，他們的多材料印刷技術可以有其他的應用，如製造熱交換器。這可能會帶來新的可能性，因為該工藝允許冷卻的幾何形狀被集成，這是任何其他製造技術所不能生產的。

Rudolph和Fabian Lorenz 現在正在計劃將來能從開姆尼茨技術大學將他們的技術商用化。

3D列印陶瓷絕緣線圈 照片：Johannes Rudolph

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