百闻不如一见！德国科学家用3D打印制造出高效轻便的电机

　　德国研究人员正在使用多种材料的3D打印技术来制造电动机的部件，他们预测，这将导致功率密度更高，过载能力更强的轻型电机。

　　开姆尼茨技术大学电力转换系统和驱动系的Johannes Rudolph和Fabian Lorenz 相信，他们将导电金属材料层和绝缘陶瓷结合起来的技术可以研制出新型电机。Lorenz说：“我们有能力制造出具备有高功率密度的机器类型。”

　　例如，横向磁通电机迄今被证明过于复杂，无法大批量生产，但可以通过使用新技术生产，从而使机器具有比现有径向磁通机器更高的力密度，且不需要昂贵的稀土磁体。

　　导电层和绝缘层是使用金属和陶瓷浆料制成的，这些浆料通过挤压工艺形成层，然后烧结。不同的材料可以在一个操作中打印。

　　Lorenz解释说：“导体的陶瓷绝缘层可以显著提高应用温度，改善导热性，从而提高功率密度。另外，还可以集成冷却管道，在那里产生余热，进一步提高功率密度。

　　该系负责人Ralf Werner教授指出，使用传统的生产技术来提高电机效率是非常困难的，最多只可以增加1%的电机效率，而但这通常会增加生产和材料成本。

　　自2015年以来，开姆尼茨的研究人员就一直致力于自己的技术研发，他们已经生产了陶瓷绝缘线圈，他们坚信可以使用他们的技术制造出完整的电机。他们正在将第三个组件 - 磁性活性铁 - 整合到印刷工艺中。

　　3D打印过程无需复杂的电工钢片的封装和将绕组引入常规电机。该技术可用于引导三维磁通量产生扭矩，也可以将冷却通道结合到电动机的线圈或叠层铁芯中，并将绕组结合到使用传统制造方法所无法接近的电机部件中。

　　因此，这种技术的应用可以优化电机的操作环境，同时具有降低电机重量的能力，这可能会是航空航天应用领域特别感兴趣的。

　　最初，研究人员尝试使用自己的手工挤出机，但它们无法在高粘性金属和陶瓷浆料的配量中达到预期的精度。

　　Werner解释说：“印刷电机的过程中，要克服的最大障碍是陶瓷和铜的配对是一个特殊的问题，因为它们的物理性质非常不同。

　　

　　Fabian Lorenz(左)和Johannes Rudolph

　　所面临的挑战是如何最佳地协调材料的机械和物理性能。此外，使用挤出工艺，所用的印刷材料中的浆料必须具备“流动性”，而为了达到挤出后所需的设计要求，其形状稳定性也是必不可少的。

　　德国研究人员开发的添加剂生产工艺，可以让不同的陶瓷和金属材料组合，以一种传统生产方法无法实现的方式一起使用。他们通过一系列的实验，已成功研制出可以用于印刷过程的浆料形式的金属和陶瓷材料。

　　除了优化3D打印的材料性能之外，研究人员还必须控制干燥和烧结过程中材料的收缩，在他们的报告中提到，“这已经被证明是非常困难的”。但是，通过设定烧结炉内的温度使其与膏体特性相匹配，就能克服这个问题。此外，温度的变化可以用来优化材料的性能，以达到更高的功率密度。

　　计量精度和精确度对于电机印刷过程来说是至关重要。Rudolph和Lorenz发现，ViscoTec挤出机印刷头(专为处理粘性糊状物而设计)改善了每条生产线的起点和终点，从而实现了均匀的印刷。喷头还允许在印刷过程中调节体积流量，以达到所需的特性。

　　德国研究人员表示，他们的多材料印刷技术可以有其他的应用，如制造热交换器。这可能会带来新的可能性，因为该工艺允许冷却的几何形状被集成，这是任何其他制造技术所不能生产的。

　　Rudolph和Fabian Lorenz 现在正在计划将来能从开姆尼茨技术大学将他们的技术商用化。