DE102018133491A1

DE102018133491A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018133491A1
Application number: DE102018133491.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Walter; Andreas Offergeld; Lothar Patberg; Thomas Pretorius
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25
Also published as: WO2020126149A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs (6) für die Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine. Folgende Schritte werden durchgeführt:A) Bereitstellen eines Substrats (1),B) Bereitstellen eines Pulvers (3) in einer Auftragsanlage (2) ,C) lagenweises Aufbringen des Ausgangsmaterials (3) auf dem Substrat (1) mit einem additiven Fertigungsverfahren, startend mit einer ersten Lage (4) und fortgesetzt bis zum abgeschlossenen Aufbau wenigstens einer ersten Funktionsstruktur (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e). Die Funktionsstruktur kann eine Ausnehmung (7) oder eine Verjüngung (8) aufweisen.Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit sowie ein Halbzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für eine elektrische Maschine. Das Halbzeug weist wenigstens eine Funktionsstruktur aus einem eisenbasierten Werkstoff auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine. Eine Funktionseinheit kann insbesondere ein Stator oder ein Rotor sein.
Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, sind aus der Praxis bekannt. Elektromotoren weisen zumindest eine als Stator bezeichnete unbewegliche Funktionseinheit und eine bewegliche Funktionseinheit auf. Als bewegliche Funktionseinheit kann beispielsweise ein Rotor vorgesehen sein. Für die Positionierung von Stator und Rotor weist die elektrische Maschine außerdem ein Gehäuse auf. Wenigstens eine der beiden Funktionseinheiten ist magnetisch wirksam. Je nach Funktionsweise des Elektromotors ist die wenigstens eine der Funktionseinheiten mit einem elektromagnetischen Wechselfeld ummagnetisierbar. Daraus ergibt sich die Anforderung, dass die Funktionseinheit möglichst weichmagnetisches Material aufweisen soll und bei möglichst geringen Ummagnetisierungsverlusten ummagnetisierbar ist. Die Ummagnetisierungsverluste setzen sich insbesondere aus Hystereseverlusten bei der Umpolung der Elementarmagnete des magnetischen Materials und aus Wirbelstromverlusten infolge induzierter Wirbelströme innerhalb des magnetischen Materials zusammen.
Mit der Zielsetzung, dass Ummagnetisierungsverluste möglichst gering ausfallen sollen, hat sich als gängige Methode zur Herstellung von Funktionseinheiten elektrischer Maschinen etabliert, Statoren und/oder Rotoren aus mehreren Blechen zu sogenannten Blechpaketen zusammenzusetzen. Die verwendeten Bleche werden üblicherweise als Elektrobleche bezeichnet. Die einzelnen Bleche der Blechpakete werden mit einem elektrischen Isolator voneinander teilweise oder vollständig getrennt, um innerhalb jedes einzelnen Blechs und damit auch in der fertiggestellten Funktionseinheit insgesamt Wirbelstromverluste während der Ummagnetisierung zu verringern. Zur möglichst weitgehenden Verringerung von Wirbelstromverlusten werden möglichst dünne Bleche zur Herstellung des Blechpakets verwendet. Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Ummagnetisierungsverluste besteht in der vorstehend bereits erwähnten Nutzung von Elektroblechen. Der Begriff der Elektrobleche bezeichnet in diesem Zusammenhang Bleche, deren Eigenschaften unter anderem mit Hinblick auf möglichst geringe Ummagnetisierungsverluste eingestellt sind. Elektrobleche weisen beispielsweise zu diesem Zweck unter anderem eine vergleichsweise geringe Dichte an Gitterfehlern, vergleichsweise geringe Dichte an Korngrenzen sowie vergleichsweise geringe Eigenspannungen auf. Ein weiteres Merkmal der Elektrobleche sind ihre Elementzusammensetzungen, die ebenfalls unter anderem auf geringe Ummagnetisierungsverluste hin entwickelt sind. Eine bekannte Maßnahme, vorteilhafte Eigenschaften der Elektrobleche zu erreichen, bei eisenbasierten Legierungen, beispielsweise bei Elektrostählen, ist die Zugabe von Silizium.
Die erfindungsgemäße Zugabe von Silizium führt bei eisenbasierten Elektroblechen, wie erwähnt, zu der gewünschten Verringerung von Ummagnetisierungsverlusten. Die Zugabe von Silizium in Elektroblechen wirkt sich aber bei höheren Siliziumgehalten, bei eisenbasierten Elektroblechen insbesondere oberhalb von etwa 3,5 Gew.-% Si-Gehalt, nachteilhaft auf die Verarbeitbarkeit aus. Insbesondere für die Kaltverarbeitbarkeit ist die Zugabe von Silizium in Anteilen oberhalb von etwa 3,5 Gew.-% nachteilig. Einer der Gründe hierfür ist, dass Si-Gehalte oberhalb von etwa 3,5 Gew.-% zur Ausscheidung von Sprödphasen führen. Auch eine Warmverformung der Elektrobleche ist bei Si-Gehalten oberhalb von etwa 3,5 Gew.-% nur noch eingeschränkt beziehungsweise mit erhöhtem Aufwand möglich.
Ein weiterer Nachteil eines hohen Si-Gehalts in eisenbasierten Elektroblechen ist, dass die eingangs erwähnte eigentlich vorteilhafte Verringerung der Blechdicke mit Erhöhung des Si-Gehalts zunehmend begrenzt wird. Dies liegt darin begründet, dass das üblicherweise zur Formgebung genutzte Stanzen der Bleche einerseits zu Anisotropien in den magnetischen Eigenschaften führt, beispielsweise bedingt durch Eigenspannungen, andererseits aber eine an sich übliche Reduktion der Eigenspannungen durch Glühen bei Elektroblechen mit geringen Dicken, insbesondere unterhalb von etwa 0,3 mm, aufgrund vermehrter Oxidbildung von Randzonen zu einer Verschlechterung der Magnetisierungseigenschaften führt.
Zusammenfassend führt die bekannte Herstellung von Funktionseinheiten für eine elektrische Maschine aus Elektroblechen aufgrund gegenläufiger Effekte dazu, dass der Auswahl der Konstruktionsparameter, insbesondere der Elementzusammensetzung der verwendeten Bleche und der Dicke der verwendeten Bleche, Grenzen gesetzt sind.
Ausgehend von den dargestellten Problemstellungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Funktionseinheiten für elektrische Maschinen bereitstellen zu können, bei denen die genannten Probleme vermieden werden oder zumindest in ihrem Ausmaß verringert sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zur Herstellung eines Halbzeugs, das anschließend in der Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine weiterverarbeitet werden kann. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, ein Halbzeug herzustellen, das zur Weiterverarbeitung zu einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine verwendet werden kann.
Das Verfahren sieht folgende Schritte vor:

A) Bereitstellen eines Substrats,
B) Bereitstellen eines Pulvers als Ausgangsmaterial,
C) lagenweises Aufbringen des Ausgangsmaterials auf dem Substrat bis zum abgeschlossenen Aufbau wenigstens einer ersten Funktionsstruktur der Funktionseinheit.

Bei der Funktionsstruktur der Funktionseinheit kann es sich insbesondere um eine bereits in Endgeometrie vorhandene zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, flache Struktur handeln. Die flache Struktur dient bei der später herzustellenden Funktionseinheit als ein Bestandteil der Funktionseinheit. Beispielsweise kann es sich um eine flache Struktur handeln, die als Bestandteil eines Rotors, alternativ eines Stators, vorgesehen ist. Die Funktionsstruktur kann mit anderen Worten insbesondere eine Ebene des Rotors beziehungsweise des Stators sein. Die Funktionsstruktur nimmt damit die Rolle ein, die bei herkömmlich hergestellten Funktionseinheiten durch ein Blech eines Blechpakets eingenommen wird, genauer gesagt durch ein mittels Stanzens hergestelltes Ausschnittteil eines Blechs des Blechpakets.
Erfindungsgemäß wird als Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet, das für die Bereitstellung der magnetischen Funktionalität als zwingenden Bestandteil das chemische Element Fe, also Eisen, aufweist. Zusätzlich können, neben unvermeidbaren Verunreinigungen, optionale Bestandteile vorhanden sein, die neben der Berücksichtigung ihres Einflusses auf die magnetischen Eigenschaften insbesondere mit Hinblick auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften der herzustellenden Funktionseinheit gewählt werden können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Pulver C, bevorzugt einen C-Gehalt von wenigstens 0,003 Gew.-%, enthält, um die Bildung von Stahl zu bewirken.
Das als Ausgangsmaterial bereitgestellte Pulver weist außerdem zwischen 2,0 Gew.-% und 15,0 Gew.-%, bevorzugt zwischen 3,5 Gew.-% und 10,0 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 4,0 Gew.-% und 7,0 Gew.-%, Silizium auf. Wie eingangs bereits erläutert, wirkt sich ein hoher Siliziumgehalt positiv auf die magnetischen Eigenschaften aus, was unter anderem seinen ferritstabilisierenden Eigenschaften und seinen widerstandserhöhenden Eigenschaften, gemeint sind den elektrischen Widerstand erhöhenden Eigenschaften, zuzuschreiben ist. Ein Anteil von 15,0 Gew.-% Silizium sollte nicht überschritten werden, um negative Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Funktionsstruktur, insbesondere ein Herabsetzen ihrer Bruchzähigkeit, ausreichend sicher zu vermeiden.
Das Substrat dient dem Tragen der herzustellenden Funktionsstruktur und kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das bei den bei Herstellung des Halbzeugs auftretenden Temperaturen strukturell und chemisch ausreichend stabil bleibt. Insbesondere kann das Substrat als Stahlblech hergestellt sein. Besonders bevorzugt weist das Substrat dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe Elementzusammensetzung auf wie das Pulver mit dem Vorteil, dass bei dem Auftragen der ersten Lage des Ausgangsmaterials auf dem Substrat eine gute Haftung zwischen Substrat und Ausgangsmaterial erreicht wird.
Bevorzugt ist neben dem genannten Siliziumanteil ein Anteil von weniger als 18,8 Gew.-% an optionalen Bestandteilen vorhanden. In der Konsequenz bedeutet dies auch, dass wenigstens 66,2 Gew.-% des Ausgangsmaterials sich aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammensetzt. Es hat sich erwiesen, dass durch Wahl eines derart hohen Eisenanteils zwangsläufig stets ausreichende magnetische Eigenschaften erreicht werden und gleichzeitig durch die zugelassene Beifügung eines signifikanten Anteils an optionalen Bestandteilen eine genügende Flexibilität in der Einstellung der Eigenschaften der Funktionsstruktur vorliegt, beispielsweise in der Einstellung des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften.
Bei dem als Ausgangsmaterial bereitgestellten Pulver handelt es sich bevorzugt um ein Pulver, welches die Elementzusammensetzung der ersten Funktionsstruktur in den jeweiligen Gewichtsanteilen aufweist und in geeigneter Partikelgrößenverteilung und ausreichender homogener Verteilung bereitgestellt wird. Alternativ kann das Pulver als definierte Pulverart vorliegen. Ob die einzelnen in dem Pulver vorhandenen Pulverpartikel als Elemente vorliegen oder ihrerseits bereits in einer oder mehreren Legierungen vorliegen, ist nicht wesentlich, solange die genannten Elementzusammensetzungen eingehalten sind und, aufgrund ausreichend homogener Durchmischung des Pulvers eine genügend hohe Homogenität in der Partikelzuführung zu dem Substrat gewährleistet ist. Die Bildung der schließlich vorhandenen Legierung der Funktionsstruktur erfolgt nämlich während des Auftragens selbst und wird sichergestellt durch die am Auftragsort lokal sehr hohen Temperaturen der für das Aufbringen gewählten Fertigungsverfahren, die nachfolgend genannt sind.
Bevorzugt wird das Material beim Aufbringen vollständig aufgeschmolzen.
Für das Aufbringen wird ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren oder ein pulverdüsenbasiertes additives Fertigungsverfahren genutzt. Als pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren kann insbesondere ein selektives Laserschmelzen (selective laser melting), ein Laserstrahlschmelzen (laser beam melting), ein selektives Lasersintern (selective laser sintering) oder ein Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting) genutzt werden. Als pulverdüsenbasiertes Herstellungsverfahren kann insbesondere ein Laserauftragsschweißen (laser metal deposition) vorgesehen sein. Jedes der genannten Verfahren ist dem Fachmann an sich bekannt. Die genannten Verfahren weisen allesamt den Vorteil auf, dass zum Zeitpunkt des Auftrags an einer Stelle an dieser Stelle durch die verwendete Laserstrahlung beziehungsweise den verwendeten Elektronenstrahl eine ausreichende Temperatur erreichbar ist, um die Materialien beim Auftragen vollständig aufzuschmelzen.
Die Nutzung der genannten Verfahren hat den Vorteil, dass mit der Bereitstellung von Pulvern mit vergleichsweise hohen Elementbestandteilen von Silizium, auch größer als die genannten 3,5 Gew.-%, die wenigstens eine Funktionsstruktur mit einer hohen Homogenität in der Elementverteilung, einer geringen Fehlstellendichte sowie mit vergleichsweise großen Korngrößen hergestellt werden kann. Gleichzeitig ist die Herstellung von kleinskaligen Strukturen möglich. Insbesondere ist es möglich, flache Strukturen, beispielsweise in der zuvor bereits erwähnten Geometrie einer Platte oder eines aus einer Platte ausgestanzten Teils, mit Dicken von weniger als 0,30 mm bis zu etwa 0,10 mm herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den Vorteil, die Bereitstellung kleinskaligerer Platten zu ermöglichen als es mit Walzverfahren möglich ist. Die Funktionsstruktur kann beispielsweise als platte Struktur vorliegen, die zwei zueinander parallele ebene Begrenzungsflächen mit einem Abstand zwischen 0,10 mm und 0,30 mm aufweist. Aufgrund des verwendeten additiven Fertigungsverfahren kann die Funktionsstruktur aber auch als dreidimensionales Gebilde ausgebildet sein und damit komplexere Geometrien einnehmen, ohne dass Umformvorgänge an einem Elektroblech hierfür erforderlich sind.
Bevorzugt weist das als Ausgangsmaterial bereitgestellte Pulver folgende Bestandteile auf (alle Angaben jeweils in Gew.-%):

Si: 2,0 - 15,0;
C: weniger als, das heißt: echt kleiner als, 0,1;
Mn: bis zu, das heißt: kleiner gleich, 2,0;
S: weniger als 0,01;
Al: bis zu 15,0;
N: weniger als 0,01;
Cu: weniger als 0,3;
Cr: weniger als 0,5;
Mo: weniger als 0,1;
B: weniger als 0,1;
Nb: weniger als 0,01;
V: weniger als 0,1;
Ti: weniger als 0,01;
Sn: weniger als 0,1;
Ni: weniger als 0,1;
P: weniger als 0,1;
Co: weniger als 0,01;
Zn: weniger als 0,01;
As: weniger als 0,03;
Ca: weniger als 0,012;
Sn: weniger als 0,16;
Ta: weniger als 0,01;
W: weniger als 0,02;

Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Es versteht sich, dass der Rest sich darauf bezieht, dass die Summe aller Gewichtsanteile 100 Gew.-% ergibt. Besonders bevorzugt ist, dass wenigstens 0,003 Gew.-% C vorliegen, sodass keine Fe-Funktionsstruktur, sondern eine Stahl-Funktionsstruktur, mit den entsprechenden positiven Eigenschaften vorliegt, insbesondere hinsichtlich einer beispielsweise für einen als ein Anwendungsziel bereits genannten Rotor essentiellen Festigkeit.
Das Pulver besteht bevorzugt aus Partikeln mit einer Partikelgröße zwischen d10 = 10 µm und d90 = 150 µm, bevorzugt zwischen d10 = 10 µm und d90 = 60 µm oder zwischen d10 = 30 µm und d90 = 150 µm.
Bevorzugt wird das Substrat vor dem Aufbringen der ersten Funktionsstruktur auf eine Aufbringtemperatur vorgewärmt, die zumindest während des Aufbringens einer ersten Lage der ersten Funktionsstruktur, bevorzugt während des Aufbringens der gesamten ersten Funktionsstruktur, nicht mehr unterschritten wird. Mit anderen Worten: Das Substrat wird auf einer Temperatur gehalten, das zumindest der Aufbringtemperatur entspricht.
Die Aufbringtemperatur liegt bevorzugt zwischen 400 und 900° Celsius, besonders bevorzugt zwischen 500 und 800° Celsius. Durch das Vorwärmen des Substrats wird, insbesondere durch Unterstützung von Diffusionsprozessen und die Reduzierung der beim Auftragen vorherrschenden Temperaturgradienten, eine Rissarmut und Spannungsarmut der durch das Auftragen fertiggestellten ersten Funktionsstruktur gefördert. Die erste Funktionsstruktur ist bevorzugt als Flachstruktur mit einer Dicke zwischen 0,10 mm und 2,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,10 mm und 1,00 mm aufgebracht, der Begriff der Flachstruktur bezieht sich darauf, dass die erste Funktionsstruktur die Form eines ausgestanzten, nicht umgeformten, Blechs hat, aber aufgrund der anderen Herstellungsart mittels additiver Fertigung nicht als Blech bezeichnet wird.
Eine Ausführungsvariante des Verfahrens sieht vor, dass die erste Funktionsstruktur und eine Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen lagenweise sequentiell auf dem Substrat aufgebracht werden. Darunter ist zu verstehen, dass zunächst nacheinander die jeweils erste Lage aller Funktionsstrukturen der ersten Funktionsstruktur und der Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen aufgebracht wird, danach sequentiell die jeweils zweite Lage aller Funktionsstrukturen aufgebracht wird und diese Vorgehensweise so oft wiederholt wird, bis sequentiell die jeweils letzte Lage jeder der allen Funktionsstrukturen aufgebracht worden ist. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Funktionsstruktur und die Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen identische Abmessungen aufweisen und parallel verschoben auf dem Substrat aufgetragen werden. Die auf dem Substrat angeordneten Funktionsstrukturen dienen als Halbzeuge für die elektrische Maschine und weisen bereits ihre endgültige Geometrie auf, sodass keine Weiterverarbeitung oder Nachbehandlung mehr erforderlich ist. Im Vergleich zur konventionellen Fertigung (das heißt: insbesondere durch Stanzen und nachfolgendes Glühen) erfolgt kein hoher Materialverschnitt von Elektroblechen. Außerdem wird die Entstehung von sich nachteilig auf die Ummagnetisierungsverluste des Halbzeugs/Halbfabrikats auswirkenden inneren Spannung durch Entfall nachfolgender Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel des Stanzens, vermieden. Dadurch werden die Herstellungskosten reduziert, da beispielsweise auf die nach DIN EN 10341 erforderliche Stanzteilglühung potentiell verzichtet werden kann, was unmittelbar geringere Fertigungskosten zur Folge hat.
Die Funktionsstrukturen können senkrecht zu einer Substratoberfläche orientiert sein, es ist aber auch denkbar, dass sie in einer leichten Schräglage, beispielsweise zwischen 0 Grad und 10 Grad zur Orthogonalebene des Substrats verkippt, auf dem Substrat befestigt sind.
Bevorzugt sind die Funktionsstrukturen im Bereich ihres Übergangs zum Substrat mit einer Sollbruchstelle versehen, so dass jede einzelne der Funktionsstrukturen oder die Gesamtheit der Funktionsstrukturen leicht von dem Substrat entfernt werden kann, beispielsweise mittels Funkenerodierens, mittels mechanischer Bearbeitung oder mittels manueller Entnahme.
Gemäß einer Ausführungsvariante sind die erste Funktionsstruktur und die Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen alle jeweils in Form eines Statorblechs oder alle jeweils in Form eines Rotorblechs ausgebildet.
Jede der Funktionsstrukturen weist bevorzugt zu jeder unmittelbar benachbarten Funktionsstruktur einen Abstand auf, der zwischen 0,003 mm und 2,00 mm liegt. Bevorzugt sind alle Funktionsstrukturen äquidistant auf dem Substrat angeordnet und weisen dabei Abstände zwischen 0,003 mm und 2,00 mm zu den jeweils benachbarten Funktionsstrukturen auf.
In dem Fall, dass die Funktionsstrukturen als Statorblech oder als Rotorblech geformt sind, sind bevorzugt bereits auf dem Substrat die Funktionsstrukturen mit einer gemeinsamen Rotationsachse orientiert, die senkrecht zu einer Ebene der jeweiligen Funktionsstrukturen, bevorzugt zusätzlich auch zu der Substratebene orientiert ist.
Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine vor. Die Herstellung der Funktionseinheit für eine elektrische Maschine erfolgt in den folgenden Schritten:

Zunächst wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Weise oder eine seiner Weiterbildungen ein Halbzeug hergestellt. Das Halbzeug weist ein Substrat und wenigstens eine, bevorzugt mehrere, auf dem Substrat angeordnete Funktionsstruktur/-en auf.

Danach wird in alle zwischen benachbarten Funktionsstrukturen vorhandenen Abstandsräume ein Isolierwerkstoff zur zumindest abschnittsweisen elektrischen Isolation der Funktionsstrukturen zueinander eingebracht. Nach dem Einbringen des Isolierwerkstoffs wird das aus Funktionsstrukturen und dem Isolierwerkstoff bestehende Funktionsstrukturpaket von dem Substrat getrennt, wodurch die Funktionseinheit erhalten wird.
Bei dem elektrisch isolierenden Isolierwerkstoff kann es sich beispielsweise um einen elektrisch isolierenden Kunststoff handeln. Als elektrisch isolierender Kunststoff kann beispielsweise ein Kunststoff auf Polyvinylbutyralbasis, ein Polyamid, ein Polyester oder ein Kunststoff auf Epoxidharzbasis vorgesehen sein. Der Kunststoff wird bevorzugt mittels eines Spritzverfahrens und/oder mittels einer Tauchbeschichtung in die vorhandenen Abstandsräume eingebracht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass nach dem Aufbringen des Ausgangsmaterials ohne eine zusätzliche Wärmebehandlung die Schritte D bis F durchgeführt werden, sodass eine funktionsbereite Funktionseinheit, insbesondere ein Stator oder ein Rotor, bereitgestellt wird, ohne dass nach dem Aufbau der einzelnen Funktionsstrukturen eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Dadurch, dass die additiv hergestellten, vorzugsweise vertikal aufgebauten, Halbzeuge eine raue Oberfläche aufweisen, wird eine feste Verbindung zwischen Metall und Kunststoff in vorteilhafter Weise begünstigt.
Beispiele:
Die beschriebene Vorgehensweise wurde mit verschiedenen Machbarkeitsstudien verifiziert.
Beispiel 1:
Die erste Machbarkeitsstudie wurde durchgeführt zur Verifizierung geeigneter magnetischer Eigenschaften bei dünnen Plättchen, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Laserauftragsschweißens (laser metal deposition) hergestellt ist.
Folgende Schritte wurden durchgeführt:
Bereitstellen zweier Grundpulver:

Pulver 1:	Mn 1,2 Gew.-%, Si 0,5 Gew.-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen;
Pulver 2:	Mn 1,2 Gew.-%, Si 48,76 Gew.-%, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Vermischen der Pulver zu drei Pulvern als drei verschiedene Ausgangsmaterialien:

Ausgangsmaterial 1: Gew.-%-Anteilsverhältnisse Fe:Si = 96:4;
Ausgangsmaterial 2: Gew.-%-Anteilsverhältnisse Fe:Si = 94:6;
Ausgangsmaterial 3: Gew.-%-Anteilsverhältnisse Fe:Si = 92:8.

Es wurden mittels Laserauftragsschweißens (laser metal deposition) für jede der Ausgangsmaterialien 1 und 2 Plättchen der Abmessungen 60 × 60 × 0,35 mm³ sowie für Ausgangsmaterial 3 Plättchen der Abmessungen 60 × 60 × 0,55 mm³ hergestellt.
Eine Pulverzuführung zu dem Substrat erfolgte mit Argon in einer Inertgasglocke im offenen System.
Die experimentellen Randbedingungen waren wie folgt gewählt:

- für Ausgangsmaterial 1: Laserleistung 910 W, Vorschubgeschwindigkeit 600 mm/min; Pulvermassenstrom 3,8 g/min; Spurversatz = 1 mm; Höhenversatz = 0,6 mm; Vorwärmtemperatur = Raumtemperatur;

für Ausgangsmaterial 2: Laserleistung 910 W, Vorschubgeschwindigkeit 600 mm/min; Pulvermassenstrom 3,8 g/min; Spurversatz = 1 mm; Höhenversatz = 0,62 mm; Vorwärmtemperatur = 300 °C;
für Ausgangsmaterial 3: Laserleistung 950 W, Vorschubgeschwindigkeit 600 mm/min; Pulvermassenstrom 3,5 g/min; Spurversatz = 1 mm; Höhenversatz = 0,625 mm; Vorwärmtemperatur = 400 °C.

Die Proben werden mit steigendem Siliziumanteil nachfolgend als LMD4, LMD6 und LMD8 bezeichnet.
Es konnten folgende mechanische Kennwerte ermittelt werden: $\begin{array}{l} LMD4: Härte HV 0,5 = 200, LMD6: Härte HV 0,5 = 300, LMD8: \\ Härte HV 0,5 = 400 {und Zugfestigkeit R}_{m} = 500 MPa . \end{array}$
Es wurden Ummagnetisierungsversuche durchgeführt, die in einem nachfolgenden Abschnitt dargelegt sind.
Beispiel 2:

Mit selektivem Laserschmelzen (selective laser melting) wurde ein Testkörper 60 × 60 × 0,28 mm³ hergestellt, wobei folgende Pulvereigenschaften des als Ausgangsmaterial hergestellten Pulvers vorlagen:

Eigenschaft	Wert	Chemische Analyse
Durchflussrate gemäß DIN EN	18,70 s/ (50 g)	Si	6,7 Gew.-%
		Mn	0,05 Gew.-%
		Cr	0,03 Gew.-%
ISO 4490:2014-11:		C	0,01 Gew.-%
		Al	<0,01 Gew.-%
		N	0,006 Gew.-%
		P	0,005 Gew.-%
		Fe und unvermeidbare Verunreinigungen	Rest
Teilchengrößeverteilung gemessen mit Malvern 2000	d10 = 24,4 µm
	d50 = 35,8 µm
	d90 = 51,7 µm

Als experimentelle Bedingungen wurden gewählt: $\begin{array}{l} Vorwärmtemperatur = 300 ° C, Laserleistung schwankend \\ zwischen 120 W und 170 W; Vorschubgeschwindigkeit = 450 - 700 \\ mm/s . \end{array}$
Die hergestellte Probe wird nachfolgend als SLM bezeichnet.
Ummagnetisierungsversuche:
Mit den hergestellten Proben wurden Ummagnetisierungsversuche nach DIN IEC 60404-3:2010-05 durchgeführt. Es wurden Ummagnetisierungsversuche bei 50 Hz, 400 Hz und bei 1000 Hz Ummagnetisierungsfrequenz durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgte in beiden Fällen bei einer magnetischen Flussdichte von 1 T.
Als Referenzproben wurden konventionell hergestellte, 0,30 mm dicke Plättchen aus den Elektroblechen aus den Legierungen Vergleichsnormgüte NO30-16 vor einer Wärmebehandlung und nach einem Glühen für 40 Sekunden in einem Ofen H2/Ar-Atmosphäre bei 1060 °C sowie M400-50 A ohne Wärmebehandlung genutzt.

Folgende Ergebnisse wurden erhalten

	Ummagnetisierungsverluste in W/kg bei 50 Hz, gemessen bei 1 T	Ummagnetisierungsverluste in W/kg bei 1000 Hz gemessen bei 1 T
LMD4 ohne Wärmebehandlung	4,3	164
LMD6 ohne Wärmebehandlung	4,5	165
LMD8 ohne Wärmebehandlung	2, 0	142
SLM ohne Wärmebehandlung	3,5	126
NO30-16 vor Wärmebehandlung	12	293,9
NO30-16 nach Wärmebehandlung	1,1	79,8
M400-50 A	< 2,5	150 - 200

Im Ergebnis zeigt sich, dass die mit additiven Herstellungsverfahren hergestellten Plättchen Ummagnetisierungsverluste gezeigt haben, die ohne vorherige Glühbehandlung teils niedrigere, zumindest aber vergleichbar niedrige Ummagnetisierungsverluste wie die Referenzproben ohne zusätzliche Wärmebehandlung aufweisen. Gleichzeitig liegen die Ummagnetisierungsverluste zumindest in der Größenordnung der Ummagnetisierungsverluste des wärmebehandelten Referenzblechs. Auch zeigt sich, dass ein erhöhter Si-Gehalt zu niedrigeren Ummagnetisierungsverlusten führt. Es konnte somit nachgewiesen werden, dass mittels additiver Fertigungsverfahren Funktionsstrukturen für elektrische Maschinen herstellbar sind, die vergleichbar gute Eigenschaften aufweisen wie Funktionsstrukturen, die mit bekannten Verfahren aus Elektroblechen hergestellt sind.
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine ist in 1a) - 1f) illustriert. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
In einem ersten Schritt, dargestellt in 1a), wird ein Substrat 1 bereitgestellt. In einer Auftragsanlage 2 wird ein als Pulver bereitgestelltes Ausgangsmaterial 3 eingefüllt und aus dieser heraus wird eine erste Lage 4 des Ausgangsmaterials 3 auf dem Substrat 1 aufgebracht. Das Aufbringen der ersten Lage 4 erfolgt in dem gezeigten Beispiel, wie in 1b) dargestellt, mittels Auftragsschweißens, auch als laser metal deposition bezeichnet. Lagenweise wird eine erste Funktionsstruktur 5 auf dem Substrat aufgetragen. Die erste Funktionsstruktur 5 ist in fertiggestelltem Zustand in 1c) dargestellt, wobei es sich in der gezeigten beispielhaften Darstellung bei der ersten Funktionsstruktur 5 um einen als Flachstruktur ausgebildeten Bestandteil eines Rotors für eine elektrische Maschine handelt. Der Begriff der Flachstruktur bezieht sich darauf, dass die Funktionsstruktur 5 in seiner Form einem aus einem Blech gestanzten Teil entspricht, jedoch sich in der Art seiner Herstellung von einem solchen ausgestanzten Teil unterscheidet, da die Herstellung der Funktionsstruktur 5 mittels eines additiven Fertigungsverfahrens durchgeführt wurde.
Wie in 1d) dargestellt, werden mehrere Funktionsstrukturen 5a, 5b, 5c, 5d, 5e lagenweise sequentiell auf dem Substrat aufgetragen, wobei die Form und die Herstellung derjenigen der ersten Funktionsstruktur entsprechen. Mit dem lagenweise sequentiellen Auftragen ist gemeint, dass die jeweils n-te Lage jeder der Funktionsstrukturen aufgebracht wird und anschließend die n+1-ste Lage jeder der Funktionsstrukturen aufgebracht wird. Die Funktionsstrukturen 5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e sind äquidistant auf dem Substrat 1 angeordnet. Das Substrat mit der Gesamtheit der Funktionsstrukturen 5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e stellt das Halbzeug 6 da, welches mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Eine Weiterverarbeitung des Halbzeugs zu einem Rotor kann vorgesehen sein. Für eine manuelle Entfernung des Halbzeugs weist jede Funktionsstruktur eine Sollbruchstelle 7, 8 auf, welche unabhängig von der Ausgestaltung der Funktionsstruktur ist, beispielsweise eine Ausnehmung 7 in einem Kontaktbereich zwischen Funktionsstruktur 5 und Substrat 1 (siehe 1e): Aufsicht in Richtung einer Rotationssymmetrieachse der Funktionsstruktur 5) und/oder eine Verjüngung 8 in einem Kontaktbereich zwischen Funktionsstruktur 5 und Substrat 1 (siehe 1f): Aufsicht in Richtung einer auf einer Ebene der Funktionsstruktur 5 liegenden Gerade) aufweisen kann.
In 2a) ist die Herstellung einer ersten Lage 4 einer ersten Funktionsstruktur mittels eines als pulverbettbasiertem selektiven Laserschmelzen ausgebildeten additiven Fertigungsverfahrens gezeigt, wobei die dargestellten Bezugszeichen die bereits in der Beschreibung zu 1 erläuterten Bedeutungen aufweisen. Das Generieren der ersten Lage erfolgt nach Aufbringen des Pulvers 3 mittels lokalen Aufschmelzens durch einen Laserstrahl 9, der mit einem Umlenkspiegel 10 zu der aufzuschmelzenden Stelle hin umgerichtet wird. In 2b) ist das lagenweise sequentielle Aufbringen einer Anzahl mehrerer Funktionsstrukturen am Beispiel einer ersten Lage gezeigt, wobei auf das Aufbringen der ersten Lage aller Funktionsstrukturen das sequentielle Aufbringen der zweiten Lage aller Funktionsstrukturen erfolgt, bis die letzte Lage aller Funktionsstrukturen aufgebracht ist. In 2b) befindet sich der Aufbringprozess gerade beim Aufbringen der ersten Lage 4e der sechsten Funktionsstruktur, nachdem zuvor bereits die ersten Lagen 4, 4a, 4b, 4c und 4d der ersten fünf Funktionsstrukturen hergestellt worden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN IEC 60404-3:2010-05 [0049]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für die Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine, wobei die folgenden Schritte durchgeführt werden: A) Bereitstellen eines Substrats (1), B) Bereitstellen eines Pulvers (3) als Ausgangsmaterial (3) , C) lagenweises Aufbringen des Ausgangsmaterials (3) auf dem Substrat (1) mit einem pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren oder mit einem pulverdüsenbasierten additiven Fertigungsverfahren bis zum abgeschlossenen Aufbau wenigstens einer ersten Funktionsstruktur (5) der Funktionseinheit, wobei das als Ausgangsmaterial bereitgestellte Pulver (3) besteht aus (jeweils in Gew.-Prozent) Si: 2,0 - 15,0; Rest Fe, optionale Bestandteile und unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das als Ausgangsmaterial bereitgestellte Pulver besteht aus (jeweils in Gew.-Prozent) Si: 2,0 - 15,0; weniger als 18,8 optionale Bestandteile, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei das als Ausgangsmaterial bereitgestellte Pulver besteht aus (jeweils in Gew.-Prozent) Si: 2,0 - 15,0; C: weniger als 0,1, bevorzugt weniger als 0,1 und wenigstens 0,003; Mn: bis zu 2,0; S: weniger als 0,01; Al: bis zu 15,0; N: weniger als 0,01; Cu: weniger als 0,3; Cr: weniger als 0,5; Mo: weniger als 0,1; B: weniger als 0,1; Nb: weniger als 0,01; V: weniger als 0,1; Ti: weniger als 0,01; Sn: weniger als 0,1; Ni: weniger als 0,1; P: weniger als 0,1; Co: weniger als 0,01; Zn: weniger als 0,01; As: weniger als 0,03; Ca: weniger als 0,012; Sn: weniger als 0,16; Ta: weniger als 0,01; W: weniger als 0,02; Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulver aus Partikeln besteht mit einer Partikelgröße zwischen d10 = 10 µm und d90 = 150 µm, bevorzugt zwischen d10 = 10 µm und d90 = 60 µm oder zwischen d10 = 30 µm und d90 = 150 µm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) zumindest zeitweise während des Schritts C), bevorzugt zumindest während des Aufbringens einer ersten Lage (4) der ersten Funktionsstruktur (5), besonders bevorzugt bis zum abgeschlossenen Aufbau der wenigstens ersten oder aller Funktionsstrukturen, auf einer Temperatur gehalten wird, die zumindest einer Aufbringtemperatur entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Aufbringtemperatur zwischen 400 und 900 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 500 und 600 Grad Celsius, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionsstruktur (5) als Flachstruktur mit einer Dicke zwischen 0,10 mm und 2,00 mm, bevorzugt zwischen 0,10 mm und 1,00 mm, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionsstruktur (5) an der unmittelbar an das Substrat (1) angrenzenden Lage mit einer Sollbruchstelle (7, 8) aufgebracht wird zur Ermöglichung eines manuellen Abbrechens der ersten Funktionsstruktur (5) von der Sollbruchstelle oder eines mittels mechanischen Trennverfahrens erfolgenden Abbrechens der ersten Funktionsstruktur (5) von der Sollbruchstelle.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionsstruktur (5) und eine Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) lagenweise sequentiell auf dem Substrat (1) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionsstruktur (5) und die Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) identische Abmessungen aufweisen und parallelverschoben auf dem Substrat (1) aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste Funktionsstruktur (5) und die Anzahl von weiteren Funktionsstrukturen (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) alle jeweils eine Statorflachstruktur sind oder alle jeweils eine Rotorflachstruktur sind, wobei jede der Funktionsstrukturen (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e) zu jeder unmittelbar benachbarten Funktionsstruktur einen Abstand zwischen 0,003 mm und 2,00 mm aufweist, bevorzugt jede der Funktionsstrukturen (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e) zu jeder unmittelbar benachbarten Funktionsstruktur denselben Abstand zwischen 0,003 mm und 2,00 mm.
Verfahren zur Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine, wobei D) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ein Halbzeug (6) mit wenigstens zwei Funktionsstrukturen (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e) hergestellt wird, die mit einem selben Substrat (1) verbunden sind, E) in alle zwischen benachbarten Funktionsstrukturen (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e) vorhandenen Zwischenräume ein Isolierwerkstoff zur zumindest abschnittsweisen elektrischen Isolation eingebracht wird, F) nach Einbringen des Isolierwerkstoffs das aus den Funktionsstrukturen (5, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e) und dem Isolierwerkstoff bestehende Funktionsstrukturpaket von dem Substrat (1) getrennt wird und dadurch die Funktionseinheit erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei während Schritt E) ein elektrisch isolierender Kunststoff, bevorzugt ein Kunststoff auf Polyvinylbutyralbasis, ein Polyamid, ein Polyester oder ein Kunststoff auf Epoxidharzbasis, mittels Spritzens und/oder mittels Tauchbeschichtung aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder nach Anspruch 13, wobei nach dem Aufbringen des Ausgangsmaterials ohne zusätzliche Wärmebehandlung die Schritte D) bis F) durchgeführt werden zum Bereitstellen einer funktionsbereiten Funktionseinheit.
Halbzeug für die Herstellung einer Funktionseinheit für eine elektrische Maschine, erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 11.