EP4093568A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils eines elektromotors, elektromotorbauteil und elektromotor - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils eines elektromotors, elektromotorbauteil und elektromotor

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EP4093568A1
EP4093568A1 EP21701636.9A EP21701636A EP4093568A1 EP 4093568 A1 EP4093568 A1 EP 4093568A1 EP 21701636 A EP21701636 A EP 21701636A EP 4093568 A1 EP4093568 A1 EP 4093568A1
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EP
European Patent Office
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layer
electric motor
layers
component
plastic
Prior art date
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Pending
Application number
EP21701636.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Gebauer
Gregor HULLIN
Claus Schaeperkoetter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component, in particular Ro tors or stator, of an electric motor.
  • the invention also relates to an electric motor component with a layer structure of layers of different compositions, such as an electric motor.
  • DE 102016 119 650 A1 describes a method for producing a soft magnetic core material for electrical machines and actuators, the core material being built up from layers of different material components using additive manufacturing processes.
  • a material component can have ceramic components.
  • a predominantly metallic material component can have a silicon content of 6.5% or more.
  • Additive manufacturing should be possible using powdered starting substances. After the shaping, the powder of the additive process can be partially blown out.
  • the porosity of the workpiece that is, component of an electrical machine, is to be minimized.
  • DE 102017 220 735 A1 Another method for producing components of an electrical machine is disclosed in DE 102017 220 735 A1.
  • the laser-sintering process is mentioned as an example as a generative manufacturing process.
  • Insulation foil or insulation varnish is proposed as the insulation material between the sheet metal layers.
  • the machine according to DE 102017 220 735 A1 is a transverse flux machine.
  • DE 10 2017 222 635 A1 describes a stator of an electric machine with a cooling system.
  • the production of a cooling duct wall using an additive method is provided.
  • An additional sealing of the cooling duct wall to form a stator lamination should no longer be necessary as a result.
  • a rotor for a reluctance machine is known, which is at least partially produced by additive manufacturing.
  • Formless masses such as liquids or powders or form-neutral materials such as tape or wire should be usable as starting materials for additive manufacturing.
  • the finished rotor, manufactured using additive processes, has alternating conductor layers and insulation layers in the axial direction. Intermediate insulating bars should also be additively adjustable.
  • WO 2019/022973 A1 deals with the additive manufacturing of vehicle components.
  • the use of the ADAM process (Atomic Diffusion Additive Manufacturing) is proposed here.
  • Typical of the ADAM process is the use of a starting material which contains metal and plastic, the plastic being melted away. The remaining metal is compacted by sintering.
  • a filament described in US Pat. No. 10,016,942 B2 and intended for use in an additive process should be practically free of pores and encompass a polymer which surrounds a multi-strand core.
  • WO 2018/102739 A1 explains possibilities of sintering generatively manufactured parts with a compression connection platform.
  • US 2018/0236546 A1 proposes sintering at two temperature levels in connection with additive manufacturing, a first temperature level being 500 to 700 degrees Celsius and a second temperature level being 1000 to 1200 degrees Celsius.
  • a 3-D printing method which provides for the embedding of components in a 3-D printing material is disclosed in WO 2016/146374 A1.
  • the embedded components can differ from the surrounding 3-D printing material in terms of their thermal or magnetic properties.
  • a lacquer-coated electrical steel strip described in DE 10 2018 209 553 A1 can have a total alloy content of silicon and aluminum of equal to or more than 1%, 2%, 3% or 4%. The values 0.8%, 1, 5%, 2% and 3% are mentioned as possible silicon proportions.
  • Another electrical steel described in DE 10 2018 201 622 A1 has a silicon content of 2.3 to 2.7% and an aluminum content of 0.3 to 0.8%, each indicated in percent by weight.
  • the invention is based on the object of developing the production of components, in particular special rotors and stators, of electric motors, compared to the prior art mentioned, both from a manufacturing point of view as well as from a physical point of view.
  • this object is achieved by a method for lowering a component of an electric motor according to claim 1.
  • the object is also achieved by an electric motor component according to claim 6.
  • the electric motor component can be a stator or a rotor, in the case of a linear motor also a rotor.
  • the object is also achieved by an electric motor according to claim 11. In particular, it can be a synchronous motor or an asyn chronotor.
  • the electric motor component is manufactured in the following steps:
  • different layers are produced additively, namely a layer of the first type made of a filament, which contains plastic and metal, and a layer of the second type made of a filament, which contains plastic and ceramic,
  • the layer arrangement produced in the first step is heated to a first temperature at which plastic, in particular by diffusion, is removed from the layers,
  • the layer arrangement is brought to a further increased temperature level, the metal of the layer of the first type being sintered and an electrically insulating ceramic layer being obtained from the layer of the second type.
  • the layers of the first type function in the finished electric motor component as magnetic flux-conducting layers, which are separated from one another by layers of the second type, the insulation layers.
  • the various filaments from which the layers are built up are generally referred to as plastic / metal filament or plastic / ceramic filament, with the component of a filament, which is simply referred to as “plastic”, optionally contains further components.
  • the filaments that are used to build up the layer arrangement have den, a thread-like shape, wherein the diameter of the plastic / metal filament can differ from the diameter of the plastic / ceramic filament.
  • the thermal treatment of the entire layer arrangement that takes place after the arrangement formed from the various layers has been completely built up takes place in compliance with a defined temperature curve, various process variants being possible.
  • the plastic component is at least largely removed from all layers - not necessarily at the same time - before the temperature is increased immediately thereafter or at any later point in time in such a way that sintering of the metal of the layer of the first type takes place and of the second layer, too in a sintering process, a ceramic is created.
  • the filament-based additive manufacturing of the electric motor component leads to a layer structure in which the electrically and magnetically conductive layers, i.e. layers of the first type, are electrically isolated from one another by ceramic layers and are mechanically firmly connected to one another.
  • the multi-stage heating of the layer arrangement also ensures that the workpiece, i.e. the electric motor component to be manufactured, is already stabilized before sintering and undesired effects, for example through diffusion, are minimized.
  • the thickness of each layer of the finished product that is to say of the component suitable for installation in an electric motor, can be adjusted as required and is, for example, no more than 0.15 mm.
  • the workpiece is brought to an intermediate temperature level which is closer to the first temperature level than to the second temperature level, that is to say the temperature level selected for sintering.
  • the first temperature level is split into two levels, which can be close to one another, but can be clearly distinguished from one another, and are set one after the other. the.
  • the split temperature level which is used before sintering, has the effect that initially only one of the layer types and then the other layer type is changed.
  • the plastic portion of all layers of the first type is first removed, with the plastic portion of the layers of the second type that has not yet been impaired at the same time ensuring that the metallic components of all layers of the first type remain completely separated from one another.
  • the plastic is removed from the layer of the second type, it not being disadvantageous if plastic partially gets into the layer of the first type.
  • the later sintering can take place after the previous treatment, that is to say the removal of plastic, has taken place either at a constant temperature level or at split levels.
  • Sintering can also be a process that is carried out either at a uniform temperature level or using different, successively set temperatures. For example, a temperature level is initially selected at which the sintering of the essentially metallic layer, that is to say layer of the first type, is completed. This can lead to a decrease in volume of the entire component. Since no sintering takes place in the ceramic components, that is, within the layers of the second type, in this processing phase, the ceramic material adapts to the dimensional changes of the metallic layers.
  • a temperature level referred to as excessive level
  • excessive level is set at which the sintering process in the layers of the second type is completed, that is, the final ceramic layers are formed from these layers.
  • the interfaces between the metal and ceramic layers are ultimately structured in such a way that, on the one hand, there is a solid interlocking between the layers and, on the other hand, there are no excessive fluctuations in the layer thicknesses.
  • the electric motor component according to the invention has in particular the advantage Part of the fact that there is far greater freedom with regard to the composition of the layers.
  • the metal is formed by an iron alloy containing more than 6.5% by weight of silicon and aluminum in the range from 1 to 5% by weight.
  • the silicon content is preferably in the range from greater than 6.5% by weight to 10% by weight.
  • the layers are built up during additive manufacturing, the layers are in an advantageous process management in a horizontal orientation.
  • the additive manufacturing is followed by final processing steps, which can include thermal treatment and / or mechanical processing, for example grinding.
  • An electric motor according to the invention comprises at least one electric motor component according to the invention in the form of a rotor or stator.
  • the electric motor is a synchronous motor or asynchronous motor.
  • it can be a linear motor, the electric motor part being a rotor.
  • 2 shows the electric motor component in a perspective view
  • 3 shows in a flow chart the basic features of a method for producing the electric motor component
  • An electric motor component is part of a stator of an electric motor (not shown further).
  • the electric motor component 1 has a layer arrangement 2 which is formed from layers 3 of the first type and layers 4 of the second type. Within the completed electric motor part 1, the layers 3 of the first type are metallic layers and the layers 4 of the second type are ceramic layers.
  • a support structure 5 that can be seen in FIG. 2 is of no importance as far as the function of the electric motor is concerned.
  • a layer 3 of the first type is built up from a plastic / metal filament.
  • a layer 4 of the second type is built up from a plastic / ceramic filament, that is to say applied to the previously produced layer 3 of the first type. Steps S1, S2 are repeated alternately until the layer arrangement 2 is completed.
  • step S3 A thermal treatment of the layer arrangement 2 then takes place in step S3, which will be discussed in greater detail below.
  • a furnace is denoted by 6 in FIG.
  • step S4 processing of the layer arrangement 2, which may include a surface treatment.
  • Step S5 marks the end of the method.
  • FIGS. 4 to 6 three different variants of the temperature control in method step S3 are sketched. All three variants have in common that the temperature T of the workpiece, that of the layer arrangement 2, is initially raised to a first temperature level Ti, at which plastic components are removed. A significantly higher temperature level T2, which is achieved in all variants, causes a sintering process.
  • the temperature level Ti is maintained in the period ti to t4.
  • the constant temperature level T2 is maintained in the period ts to te.
  • the first temperature level Ti is only maintained in the period ti to t2.
  • An intermediate temperature level Tu which is significantly closer to the first temperature level Ti than to the second temperature level T2, is set in the period t3 to t4.
  • the temperature levels T 1, Tu being set in such a way that the plastic components are removed from the different layer types 3, 4 one after the other.
  • the process variant according to FIG. 6 corresponds to the variant according to FIG. 5 with regard to the treatment at the temperature levels Ti, T11. There are only differences at higher temperatures: After the second temperature level T2 has been kept constant from t5 to ⁇ b, the temperature T is set to an excessive temperature level T22 in the period t7 to te. This splitting of the higher tempe raturmetris ensures that the sintering processes in the layer types 3, 4 take place one after the other in a defined manner.
  • thicknesses of the layers 3, 4 of less than 0.15 mm, for example layer thicknesses of only 0.125 mm, can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Stators oder eines Rotors, eines Elektromotors, indem ein Schichtaufbau durch additive Fertigung folgendermaßen generiert wird: - Abwechselnde additive Erzeugung verschiedener Schichten (3, 4), nämlich einer Schicht (3) ersten Typs aus einem Filament, welches Kunststoff und Metall enthält, und einer Schicht (4) zweiten Typs aus einem Filament, welches Kunststoff und Keramik enthält, - Erhitzen der aus den verschiedenen Schichten (3, 4) erzeugten Schichtanordnung (2) auf eine erste Temperatur (T1), bei welcher Kunststoff aus den Schichten (3, 4) entfernt wird, - weiteres Erhitzen der Schichtanordnung (2), womit das Metall der Schicht (3) ersten Typs gesintert und aus der Schicht (4) zweiten Typs eine elektrisch isolierende Keramikschicht gewonnen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein danach hergestelltes Elektromotorbauteil und einen Elektromotor.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils eines Elektromotors.
Elektromotorbauteil und Elektromotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere Ro tors oder Stators, eines Elektromotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektromo torbauteil mit einem Schichtaufbau aus Lagen verschiedener Zusammensetzung so wie einen Elektromotor.
Die DE 102016 119 650 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines weich magnetischen Kernmaterials für elektrische Maschinen und Aktuatoren, wobei das Kernmaterial unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren aus Schichtlagen un terschiedlicher Materialkomponenten aufgebaut wird. Hierbei kann eine Materialkom ponente keramische Anteile aufweisen. Eine überwiegend metallische Materialkom ponente kann einen Siliziumanteil von 6,5 % oder mehr aufweisen. Die additive Ferti gung soll unter Verwendung pulverförmiger Ausgangssubstanzen möglich sein. Nach der Formgebung kann ein teilweises Ausblasen des Pulvers des additiven Verfahrens erfolgen. Mit einem in der DE 10 2016 119 650 A1 ebenfalls erwähnten Versintern soll die Porosität des Werkstücks, das heißt Bauteils einer elektrischen Maschine, mini miert werden.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Komponenten einer elektrischen Maschine ist in der DE 102017 220 735 A1 offenbart. In diesem Fall sollen einzelne Blechlagen eines Stators durch ein dreidimensionales generatives Fertigungsverfahren derart herstellbar sein, dass in abgewinkelten Bereichen der Blechlagen keine Druck- oder Zugspannungen auftreten. Als generatives Fertigungsverfahren ist beispielhaft das Laser-Sinter-Verfahren erwähnt. Als Isolationsmaterial zwischen den Blechlagen wird Isolationsfolie oder Isolationslack vorgeschlagen. Insgesamt handelt es sich bei der Maschine nach der DE 102017 220 735 A1 um eine Transversalflussmaschine. Die DE 10 2017 222 635 A1 beschreibt einen Stator einer Elektromaschine mit Kühl system. Hierbei ist die Herstellung einer Kühlkanalwandung durch ein additives Ver fahren vorgesehen. Ein zusätzliches Abdichten der Kühlkanalwandung zu einem Statorblech soll hierdurch nicht mehr erforderlich sein.
Aus der EP 3255 758 A1 ist ein Läufer für eine Reluktanzmaschine bekannt, welcher wenigstens teilweise durch additive Fertigung hergestellt ist. Als Ausgangsmaterialien für die additive Fertigung sollen formlose Massen wie Flüssigkeiten oder Pulver oder formneutrale Materialien wie Band oder Draht nutzbar sein. Der fertige, unter Nutzung additiver Verfahren hergestellte Läufer weist in axialer Richtung abwechselnd Leiter schichten und Isoliationsschichten auf. Auch Zwischen-Isolierstege sollen additiv her stellbar sein.
Die WO 2019/022973 A1 befasst sich mit der additiven Herstellung von Fahrzeug komponenten. Hierbei wird die Nutzung des ADAM-Verfahrens (Atomic Diffusion Addi tive Manufacturing) vorgeschlagen. Typisch für das ADAM-Verfahren ist die Verwen dung eines Ausgangsmaterials, welches Metall und Kunststoff enthält, wobei der Kunststoff weggeschmolzen wird. Das verbleibende Metall wird durch Sintern verdich tet.
Verfahren und Vorrichtungen zur faserverstärkten generativen Fertigung sind zum Beispiel in den Dokumenten WO 2017/123726 A1 und EP 3 444 102 A1 beschrieben.
Ein in der US 10,016,942 B2 beschriebenes, zur Nutzung in einem additiven Verfah ren vorgesehenes Filament soll praktisch frei von Poren sein und ein Polymer umfas sen, welches einen Mehrstrangkern umgibt.
Die WO 2018/102739 A1 erläutert Möglichkeiten des Sinterns von generativ gefertig ten Teilen mit einer Verdichtungsverbindungsplattform. Die US 2018/0236546 A1 schlägt im Zusammenhang mit additiver Fertigung ein Sin tern auf zwei Temperaturniveaus vor, wobei ein erstes Temperaturniveau 500 bis 700 Grad Celsius und ein zweites Temperaturniveau 1000 bis 1200 Grad Celsius beträgt.
Ein 3-D-Druck-Verfahren, welches die Einbettung von Komponenten in ein 3-D- Druckmaterial vorsieht, ist in der WO 2016/146374 A1 offenbart. Die eingebetteten Komponenten können sich hierbei hinsichtlich ihrer thermischen oder magnetischen Eigenschaften von dem umgebenden 3-D-Druckmaterial unterscheiden.
Möglichkeiten der Herstellung beschichteter Filamente für extrusionsbasierte 3-D- Druckverfahren sind in der WO 2014/0172148 A1 beschrieben. Hierbei ist vorgese hen, Filamente außerhalb des Druckers in einem getrennten Verfahren zu beschich ten.
Unabhängig von additiven Fertigungsverfahren wird zur Herstellung von Komponen ten elektrischer Maschinen häufig Elektroband verwendet. Ein in der DE 10 2018 209 553 A1 beschriebenes, lackbeschichtetes Elektroband kann einen Gesamtlegierungs anteil von Silizium und Aluminium von gleich oder mehr als 1 %, 2 %, 3 % oder 4 % aufweisen. Als mögliche Siliziumanteile sind die Werte 0,8 %, 1 ,5 %, 2 % und 3 % ge nannt.
Ein weiteres, in der DE 10 2018 201 622 A1 beschriebenes Elektroband weist einen Siliziumgehalt von 2,3 bis 2,7 % und einen Aluminiumgehalt von 0,3 bis 0,8 %, jeweils in Gewichts-Prozent angegeben, auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Komponenten, insbe sondere Rotoren und Statoren, von Elektromotoren, gegenüber dem genannten Stand der Technik sowohl unter fertigungstechnischen als auch unter physikalischen Ge sichtspunkten weiterentwickeln. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Fierstellung ei nes Bauteils eines Elektromotors gemäß Anspruch 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Elektromotorbauteil gemäß Anspruch 6. Bei dem Elektromotorbauteil kann es sich um einen Stator oder einen Rotor, im Fall eines Linearmotors auch um einen Läufer, handeln. Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Elektromotor nach Anspruch 11 gelöst. Insbesondere kann es sich dabei um einen Synchronmotor oder eine Asyn chronmotor handeln. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Elektromotorbauteil erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren sowie den Elektromotor und umgekehrt.
Das Elektromotorbauteil wird in folgenden Schritten hergestellt:
- Alternierend werden verschiedene Schichten additiv erzeugt, nämlich eine Schicht ersten Typs aus einem Filament, welches Kunststoff und Metall ent hält, und eine Schicht zweiten Typs aus einem Filament, welches Kunststoff und Keramik enthält,
- Die im ersten Schritt erzeugte Schichtanordnung wird auf eine erste Tempe ratur erhitzt, bei welcher Kunststoff, insbesondere durch Diffusion, aus den Schichten entfernt wird,
- die Schichtanordnung wird auf ein abermals erhöhtes Temperaturniveau gebracht, wobei das Metall der Schicht ersten Typs gesintert und aus der Schicht zweiten Typs eine elektrisch isolierende Keramikschicht gewonnen wird.
Die Schichten ersten Typs fungieren im fertigen Elektromotorbauteil als magnetfluss leitende Schichten, welche durch Schichten zweiten Typs, das Isolationsschichten, voneinander getrennt sind. Die verschiedenen Filamente, aus welchen die Schichten aufgebaut werden, werden allgemein als Kunststoff/Metall-Filament beziehungsweise Kunststoff/Keramik-Filament bezeichnet, wobei der vereinfachend als „Kunststoff“ be- zeichnete Bestandteil eines Filaments optional weitere Bestandteile enthält. In jedem Fall haben die Filamente, welche zum Aufbau der Schichtanordnung verwendet wer- den, eine fadenförmige Gestalt, wobei der Durchmesser des Kunststoff/Metall- Filaments vom Durchmesser des Kunststoff/Keramik-Filaments abweichen kann.
Die nach dem vollständigen Aufbau der aus den verschiedenen Schichten gebildeten Anordnung erfolgende thermische Behandlung der gesamten Schichtanordnung ge schieht unter Einhaltung einer definierten Temperaturkurve, wobei verschiedene Ver fahrensvarianten möglich sind. In jedem Fall wird aus sämtlichen Schichten - nicht notwendigerweise gleichzeitig - der Kunststoffanteil zumindest größtenteils entfernt, bevor unmittelbar anschließend oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt die Temperatur derart erhöht wird, dass eine Versinterung des Metalls der Schicht ersten Typs stattfindet und aus der zweiten Schicht, ebenfalls in einem Sinterprozess, eine Keramik entsteht.
Insgesamt führt die filamentbasierte generative Fertigung des Elektromotorbauteils, insbesondere Stators oder Rotors, zu einer Schichtstruktur, in welcher die elektrisch sowie magnetisch leitenden Schichten, das heißt Schichten ersten Typs, durch Kera mikschichten elektrisch gegeneinander isoliert sowie mechanisch fest miteinander verbunden sind. Durch die Verwendung von Filamenten als Precursor-Produkte ist im Vergleich zu pulverförmigen Ausgangsmaterialien eine wesentlich höhere geometri sche Präzision erzielbar. Die mehrstufige Erhitzung der Schichtanordnung sorgt zu dem dafür, dass das Werkstück, das heißt das herzustellende Elektromotorbauteil, be reits vor dem Sintern stabilisiert wird und unerwünschte Effekte, etwa durch Diffusion, minimiert werden. Die Dicke einer jeden Schicht des Fertigproduktes, das heißt des zum Einbau in einen Elektromotors geeigneten Bauteils, kann bedarfsgerecht einge stellt werden und beträgt beispielsweise nicht mehr als 0,15 mm.
Gemäß einer möglichen Verfahrensführung wird das Werkstück, nachdem das erste Temperaturniveau erreicht ist, auf ein Temperaturzwischenniveau gebracht, welches näher am ersten Temperaturniveau als am zweiten Temperaturniveau, das heißt dem zum Sintern gewählten Temperaturniveau, liegt. Mit anderen Worten: das erste Tem peraturniveau ist in zwei Niveaus gesplittet, welche nahe beieinander liegen können, jedoch deutlich voneinander unterscheidbar sind, und nacheinander eingestellt wer- den. Das gesplittete Temperaturniveau, welches vor dem Sintern angewandt wird, hat den Effekt, dass zunächst nur einer der Schichttypen und dann der andere Schichttyp verändert wird. Beispielsweise wird zunächst der Kunststoffanteil sämtlicher Schichten ersten Typs entfernt, wobei zugleich der zu diesem Zeitpunkt noch nicht beeinträchtig te Kunststoffante il der Schichten zweiten Typs dafür sorgt, dass die metallischen Be standteile sämtlicher Schichten ersten Typs vollständig voneinander getrennt bleiben. Bei der anschließenden, moderaten Erhöhung der Temperatur auf das Zwischenni veau treten praktisch keine Veränderungen in den Schichten ersten Typs mehr auf. Vielmehr wird in dieser Bearbeitungsphase der Kunststoff aus der Schicht zweiten Typs entfernt, wobei es nicht nachteilig ist, wenn hierbei Kunststoff teilweise in die Schicht ersten Typs gelangt.
Das spätere Sintern kann erfolgen, nachdem die vorherige Behandlung, das heißt das Entfernen von Kunststoff, entweder auf einem konstanten Temperaturniveau oder auf gesplitteten Niveaus erfolgt ist. Auch das Sintern kann einen Prozess darstellen, der entweder auf einem einheitlichen Temperaturniveau oder unter Anwendung unter schiedlicher, nacheinander eingestellter Temperaturen durchgeführt wird. Beispiels weise wird zunächst ein Temperaturniveau gewählt, bei dem das Sintern der im We sentlichen metallischen Schicht, das heißt Schicht ersten Typs, abgeschlossen wird. Hierbei kann es zu einer Volumenabnahme des gesamten Bauteils kommen. Da in den keramischen Bestandteilen, das heißt innerhalb der Schichten zweiten Typs, in dieser Bearbeitungsphase noch keine Versinterung stattfindet, passt sich das kerami sche Material den Abmessungsänderungen der metallischen Schichten an. Anschlie ßend wird ein als überhöhtes Niveau bezeichnetes Temperaturniveau eingestellt, bei welchem der Sinterprozess in den Schichten zweiten Typs abgeschlossen wird, das heißt aus diesen Schichten die endgültigen Keramikschichten entstehen. Die Grenz flächen zwischen den Metall- und den Keramikschichten sind letztlich derart struktu riert, dass zum einen eine feste Verzahnung zwischen den Schichten gegeben ist und zum anderen keine übergroßen Schwankungen der Schichtdicken auftreten.
Im Vergleich zu einer Herstellung von Elektromotorbauteilen aus herkömmlichen Elektroblechen hat das erfindungsgemäße Elektromotorbauteil insbesondere den Vor- teil, dass weitaus größere Freiheiten hinsichtlich der Zusammensetzung der Schichten existieren. Insbesondere wird das Metall durch eine Eisenlegierung enthaltend mehr als 6,5 Gew.-% Silizium sowie Aluminium im Bereich von 1 bis 5 Gew.-% gebildet. Bevorzugt liegt der Siliziumgehalt dabei im Bereich von größer als 6,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%. Solche Zusammensetzungen des verwendeten Metalls sind erst durch den Einsatz eines generativen Fertigungsverfahrens überhaupt verwendbar, denn ein Walzen ist hier nicht möglich. Dadurch werden höhere magnetische Flussdichten er reicht als mit bekannten Elektroblechen und die Leistungsfähigkeit von Elektromotoren signifikant erhöht.
Beim Aufbau der Schichten während der generativen Fertigung befinden sich die Schichten in vorteilhafter Verfahrensführung in horizontaler Ausrichtung. Optional schließen sich an die generative Fertigung abschließende Bearbeitungsschritte an, welche eine thermische Behandlung und/oder mechanische Bearbeitung, beispiels weise ein Schleifen, umfassen können.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Elektromotorbauteil in Form eines Rotors oder Stators. Insbesondere handelt es sich bei dem Elektromotor sich um einen Synchronmotor oder Asynchronmotor. Weiterhin kann es sich um einen Linearmotor handeln, wobei es sich bei dem Elektromotorbau teil um einen Läufer handelt.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 ein Elektromotorbauteil in geschnittener Darstellung,
Fig. 2 das Elektromotorbauteil in perspektivischer Ansicht, Fig. 3 in einem Flussdiagramm Grundzüge eines Verfahrens zur Herstellung des Elektromotorbauteils,
Fig. 4 bis 6 verschiedene Varianten der Temperaturführung bei der Herstellung des Elektromotorbauteils.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämt liche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile oder Parameter sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet.
Bei einem insgesamt mit 1 bezeichneten Elektromotorbauteil handelt es sich um ein Teil eines Stators eines nicht weiter dargestellten Elektromotors. Das Elektromo torbauteil 1 weist eine Schichtanordnung 2 auf, die aus Schichten 3 ersten Typs und Schichten 4 zweiten Typs gebildet ist. Innerhalb des fertiggestellten Elektromotorbau teils 1 handelt es sich bei den Schichten 3 ersten Typs um metallische Schichten und bei den Schichten 4 zweiten Typs um Keramikschichten. Eine in Figur 2 erkennbare Stützkonstruktion 5 hat, was die Funktion des Elektromotors betrifft, keine Bedeutung.
Bei der Herstellung der Schichtanordnung 2 wird auf Prinzipien des an sich bekannten ADAM-Verfahrens zurückgegriffen. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird aus ei nem Kunststoff/Metall-Filament eine Schicht 3 ersten Typs aufgebaut. Anschließend wird im Schritt S2 aus einem Kunststoff/Keramik-Filament eine Schicht 4 zweiten Typs aufgebaut, das heißt auf die zuvor hergestellte Schicht 3 ersten Typs aufgetragen. Die Schritte S1 , S2 werden alternieren wiederholt, bis die Schichtanordnung 2 vervoll ständigt ist.
Anschließend erfolgt im Schritt S3 eine thermische Behandlung der Schichtanordnung 2, worauf noch näher eingegangen werden wird. Ein Ofen ist in Figur 3 mit 6 bezeich net. Nach Abschluss der thermischen Behandlung erfolgt im Schritt S4 eine Nachbe- arbeitung der Schichtanordnung 2, welche eine Oberflächenbearbeitung umfassen kann. Der Schritt S5 markiert den Abschluss des Verfahrens.
In den Figuren 4 bis 6 sind drei verschiedene Varianten der Temperaturführung im Verfahrensschritt S3 skizziert. Allen drei Varianten ist gemeinsam, dass die Tempera tur T des Werkstücks, das der Schichtanordnung 2, zunächst auf ein erstes Tempera turniveau Ti angehoben wird, bei welchem Kunststoffbestandteile entfernt werden. Ein wesentlich höheres Temperaturniveau T2, welches in allen Varianten erreicht wird, bewirkt einen Sinterprozess. ln der einfachsten, in Figur 4 veranschaulichten Variante wird im Zeitraum ti bis t4 das Temperaturniveau Ti gehalten. Das konstante Temperaturniveau T2 wird in diesem Fall im Zeitraum ts bis te gehalten.
In der Verfahrensvariante nach Figur 5 ist das untere Temperaturniveau gesplittet:
Das erste Temperaturniveau Ti wird lediglich im Zeitraum ti bis t2 gehalten. Ein Tem- peraturzwischenniveau Tu, welches wesentlich näher am ersten Temperaturniveau Ti als am zweiten Temperaturniveau T2 liegt, ist im Zeitraum t3 bis t4 eingestellt. Insge samt werden in dem Zeitraum ti bis t4 Kunststoffbestandteile aus beiden Schichttypen 3, 4 entfernt, wobei die Temperaturniveaus T 1 , Tu derart eingestellt sind, dass nach einander die Kunststoffbestandteile aus den verschiedenen Schichttypen 3, 4 entfernt werden. Was die thermische Behandlung auf dem zweiten Temperaturniveau T2 be trifft, existieren keine Unterschiede zwischen der Variante nach Figur 4 und der Vari ante nach Figur 5.
Die Verfahrensvariante nach Figur 6 stimmt hinsichtlich der Behandlung auf den Tem peraturniveaus Ti, T11 mit der Variante nach Figur 5 überein. Unterschiede sind ledig lich bei höheren Temperaturen gegeben: Nachdem das zweite Temperaturniveau T2 von t5 bis ίb konstant gehalten wurde, wird im Zeitraum t7 bis te die Temperatur T auf ein überhöhtes Temperaturniveau T22 eingestellt. Diese Splittung des höheren Tempe raturniveaus sorgt dafür, dass die Sintervorgänge in den Schichttypen 3, 4 in definier ter Weise nacheinander ablaufen.
Mit jeder der anhand der Figuren 4 bis 6 erläuterten Verfahrensvarianten sind Dicken der Schichten 3, 4 von weniger als 0,15 mm, beispielsweise Schichtdicken von nur 0,125 mm, realisierbar.
Bezuqszeichenliste
1 Bauteil eines Elektromotors, Elektromotorbauteil
2 Schichtanordnung
3 Schicht ersten Typs, Metallschicht
4 Schicht zweiten Typs, Keramikschicht
5 Stützkonstruktion
6 Ofen t Zeit to...t9 Zeitpunkte
T Temperatur
Ti erstes Temperaturniveau
Tu Temperaturzwischenniveau
T2 zweites Temperaturniveau
T22 überhöhtes Temperaturniveau
S1 ... S5 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1 ) eines Elektromotors, mit folgenden Schritten:
- Abwechselnde additive Erzeugung verschiedener Schichten (3, 4), nämlich einer Schicht (3) ersten Typs aus einem Filament, welches Kunststoff und Metall enthält, und einer Schicht (4) zweiten Typs aus einem Filament, wel ches Kunststoff und Keramik enthält,
- Erhitzen der aus den verschiedenen Schichten (3, 4) erzeugten Schichtan ordnung (2) auf eine erste Temperatur (Ti), bei welcher Kunststoff aus den Schichten (3, 4) entfernt wird,
- weiteres Erhitzen der Schichtanordnung (2), womit das Metall der Schicht (3) ersten Typs gesintert und aus der Schicht (4) zweiten Typs eine elektrisch isolierende Keramikschicht gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ein stellen der ersten Temperatur (Ti), vor dem Sintern, ein Temperaturzwischen- niveau (Tu) eingestellt wird, bei welchem die Entfernung von Kunststoff aus der Schichtanordnung (2) fortgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sin tern der Schichten (3, 4) auf zwei nacheinander eingestellten Temperaturni veaus (T2, T22) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kunststoffbestandteile der verschiedenen Filamente, aus welchen die Schichten (3, 4) aufgebaut werden, voneinander unterscheiden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall durch eine Eisenlegierung enthaltend mehr als 6,5 Gew.-% Silizium sowie Aluminium im Bereich von 1 bis 5 Gew.-% gebildet wird.
6. Elektromotorbauteil (1), mit einer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 additiv er zeugten Schichtanordnung (2) aus metallischen und keramischen Schichten (3, 4).
7. Elektromotorbauteil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer metallischen Schicht (3) nicht mehr als 0,15 mm beträgt.
8. Elektromotorbauteil (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke einer keramischen Schicht (4) nicht mehr als 0,15 mm beträgt.
9. Elektromotorbauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der metallischen Schicht (3) ein Massengehalt an Silizium größer als 6,5 Gew.-% beträgt und an Aluminium im Bereich von 1 bis 5 Gew.- % liegt.
10. Elektromotorbauteil (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der metallischen Schicht (3) ein Massengehalt an Silizium im Bereich von größer als 6,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% liegt.
11.Elektromotor umfassend mindestens ein Elektromotorbauteil (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10 in Form eines Rotors oder Stators.
12. Elektromotor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ei- nen Synchronmotor oder Asynchronmotor handelt.
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