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antriebstechnik 6/2021

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antriebstechnik 6/2021

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 05 Vergleich der relativen Permeabilität von FeSi2.9 und FeSi6.5 im Ausganszustand (AB) sowie im wärmebehandelten Zustand (WB), interpoliert für 0 Hz 06 Vergleich der Hysteresekurven von FeSi2.9 (WB) und FeSi6.5 (WB) aufgenommen bei 10 Hz Tabelle 1: Parameter Wärmebehandlung Probe Temp. Haltedauer Abkühlung Korngröße Härte FeCo50 Ausgangszustand 5,6 µm 250 HV10 FeCo50 1200 °C 240 min Luft 11,9 µm 202 HV10 FeSi2.9 Ausgangszustand 7,8 µm 207 HV10 FeSi2.9 1100°C 600 min Luft 15,9 µm 171 HV10 FeSi6.5 Ausgangszustand 12,3 µm 373 HV10 FeSi6.5 1200 °C 120 min Luft 67,5 µm 350 HV10 schaften (Permeabilität, Hystereseverluste, Koerzitivfeldstärke) Ringkerne hergestellt. Weiterhin wurden Würfel mit einer Kantenlänge von 15 mm zur Überprüfung einer einstufigen Wärmebehandlung und deren Auswirkungen auf die mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften gefertigt. Die gewählten Temperaturen und Haltezeiten für die Wärmebehandlungen wurden spezifisch für die jeweiligen Legierungen angepasst. Ziel der Wärmebehandlung ist eine Reduktion der inneren Spannungen sowie die Einstellung eines für die weichmagnetischen Eigenschaften vielversprechen- den homogenen Gefüges mit einer mittleren Korngröße von 100 – 150 µm [CTF06]. Bild 03 zeigt einen Vergleich der Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskop Ultra Plus mit EDAX Elektronenrückstreubeugung-Detektoren (engl. EBSD) der Fa. Zeiss) der Mikrostruktur im Ausgangszustand (nach dem LBM-Prozess) sowie im wärmebehandelten Zustand mit den gemäß Tabelle 01 zusammengefassten Parametern der Wärmebehandlung und resultierenden Eigenschaften. Die EBSD-Aufnahmen (Bild 03) der Ausgangszustände zeigen die für die AM typische Kornstruktur, wobei bei FeCo50 und FeSi6.5 mit einer Scan-Rotation von 67° pro Schicht, bei FeSi2.9 ohne Scan-Rotation gearbeitet wurde. Anhand der EBSD-Aufnahmen sowie den Messergebnissen aus Tabelle 01 zeigt sich, dass bei FeCo50 und Fesi6.5 eine Rekristallisation mit anschließendem Kornwachstum vorliegt. Bei FeSi6.5 wurde eine durchschnittliche Korngröße von 67,5 µm erreicht, die maximale Korngröße liegt bei 695,4 µm. Die große Abweichung zwischen der durchschnittlichen und der maximalen Korngröße ist auf eine Ansammlung von Eigenspannungen und damit einhergehend lokal unterschiedlichen Rekristallisationsenergien zurückzuführen. Bei einer Zielkorngröße von 100 – 150 µm wurde diese Wärmebehandlung für den weiteren Verlauf ausgewählt. Bei FeSi2.9 liegt lediglich eine Reduktion der Spannungen vor, zu sehen an dem Abfall der Härte von 207 HV10 auf 171 HV10. Für die Zugversuche wurden 35×25×15 mm³-Blöcke in stehender Position additiv gefertigt, aus denen anschließend Zugproben erodiert wurden. Tabelle 02 stellt die Ergebnisse für die nicht-wärmebehandelten Zustände, sowie für die wärmebehandelten Zustände von FeSi2.9 und FeSi6.5 dar. Die Werte von FeSi2.9 und FeCo50 entsprechen den Erwartungen. Das leichte Abfallen der Bruchdehnung bei wärmebehandeltem FeSi2.9 ist bei der Gleichmaßdehnung nicht zu beobachten. Auffällig ist, dass bei einem Vergleich der für FeSi6.5 gemessenen Werte die Härtewerte nicht mit der Zugfestigkeit korrelieren. Dies lässt auf eine spröde Mikrostruktur schließen, welche über die durchgeführte Wärmebehandlung deutlich optimiert werden konnte, allerdings weiterhin im elastischen Bereich bricht. Die hohe Standardabweichung bei der Zugfestigkeit lässt auf verbleibende Fehlstellen im Material schließen. Fehlstellen im Material haben auch Einfluss auf die weichmagnetischen Eigenschaften. Dennoch konnte eine klare Verbesserung der Eigenschaften von FeSi2.9 zu FeSi6.5 beobachtet werden, sowie zwischen dem jeweiligen Ausgangszustand und dem wärmebehandelten Zustand. Bild 04 zeigt einen Vergleich der Neukurven, Bild 05 einen Vergleich der relativen Permeabilität für FeSi2.9 und FeSi6.5 im Ausgangszustand (AB) und wärmbehandelten Zustand (WB). Die elektrisch leitfähige Kobaltlegierung zeigt bereits bei geringen Frequenzen hohe Wirbelstromverluste, was die Anwendbarkeit in massiven Komponenten in Anwendungen bei anliegenden Wechselfeldern einschränkt. Bild 06 zeigt eine Gegenüberstellung der Hysteresekurven der wärmebehandelten Zustände von FeSi2.9 und FeSi6.5, die bei einer Frequenz von 10 Hz aufgenommen wurden. Geprüft wurden Ringkerne mit 200 Primär- sowie Sekundärwicklungen. Die Ringkerne sind massiv mit einem mittleren Durchmesser von 50 mm und einem quadratischen Querschnitt von 25 mm² aufgebaut und weisen keine Isolierung zwischen den einzelnen Schichten auf. Bei einer Prüffrequenz von 10Hz treten Hystereseverluste auf. Zudem erzeugen die über Lorenzkräfte entstehenden elektrischen Wirbelströme, zusätzlich Wirbelstromverluste. Ein Vergleich der Siliziumlegierungen zeigt den positiven Einfluss des steigenden Siliziumgehalts. Die maximale relative Permeabilität steigt von µr, max =2776 für FeSi2.9 (HT) um 254 % auf µr, max =7056 für FeSi6.5 (HT) während die Verluste bei 10 Hz um 53 % sinken. Aufgrund des höheren spezifischen elektrischen Widerstandes bei steigendem Siliziumgehalt wird die Ausbildung von Wirbelströmen reduziert. Dies führt zu einer weiteren Ver- 38 antriebstechnik 2021/06 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG besserung der weichmagnetischen Eigenschaften bei höheren Prüffrequenzen. Bei 300 Hz wurden so die Verluste bereits um 61 % reduziert. Die Koerzitivfeldstärke wurde bei einer Prüffrequenz von 10 Hz ebenfalls um 29 % gesenkt. Lediglich die zu erwartende Verminderung der Sättigungsflussdichte bei steigendem Siliziumgehalt stellt keine Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften dar. Die Charakterisierung der Werkstoffe hat die Potentiale von FeSi6.5 bestätigt. KONSTRUKTIONSRICHTLINIEN Die Gestaltungsmöglichkeiten bei additiv gefertigten Bauteilen können genutzt werden, um die mechanischen und elektromagnetischen Anforderungen durch neuartige Gestaltungsansätze zu erfüllen. Werden bei der Gestaltung der unterschiedli chen Bereiche allein die mechanischen und elektromagnetischen Funktionen betrachtet, kann dies zu geometrischen Ausprägungen führen, die trotz der großen Gestaltungsfreiheit in AM die Grenzen des LBM- Verfahrens überschreiten. Dies kann hohe geometrische Abweichungen und ungeeignete Oberflächeneigenschaften hervorrufen oder sogar zu Schäden am Bauteil bzw. der Fertigungsanlage führen. Für die frühzeitige Beurteilung der Fertigungsgrenzen ist daher die Einhaltung von Konstruktionsrichtlinien erforderlich. Da insbesondere die thermisch getriebenen Effekte stark vom Material und den Prozessparametern in der Fertigungsmaschine abhängen, sind diese als Einflussgrößen bei den Untersuchungen zu Fertigungsgrenzen zu berücksichtigen. Dafür werden relevante Geometriemerkmale an Prüfkörpern untersucht und in Form von Konstruktionsrichtlinien festgehalten. Das grundsätzliche Vorgehen orientiert sich an [Ada15]. Zu diesem Zweck werden relevante Geometriemerkmale identifiziert und anhand von Prüfkörpern untersucht. Die Ergebnisse der Auswertung werden anschließend in Form von Konstruktionsrichtlinien festgehalten. Exemplarisch lässt sich dies an der minimalen Wandstärke zeigen. Hier limitiert der Laserdurchmesser die fertigungstechnisch umsetzbare Wandstärke. Um mechanisch belastbar zu sein, müssen neben den Konturbahnen auch sog. Hatch-Linien vorhanden sein (Bild 07, siehe links oben), die von den Konturlinien umgeben sind und durch die höhere Laserleistung für mehr Stabilität sorgen. Die vorläufigen Ergebnisse sind in Bild 07 dargestellt. Die Kombination der Materialien und der Fertigungsparameter führen in dieser Versuchsreihe zu einer relativ konstanten Maßabweichung bei den Wandelementen mit einer Orientierung von 90° zur Bauplattform. Bei einem Winkel von 45° erhöhen sich die Maßabweichungen signifikant, hervorgerufen durch den Treppenstufeneffekt und Pulveranhaftungen an den nach unten weisenden Oberflächen. Bei den Proben mit dem Orientierungswinkel von 0° wird dies durch verbleibende Fragmente des Supportmaterials an der unteren Prüfkörperfläche verstärkt. Grundlegende Anforderungen der Nachbearbeitung sind bei den Konstruktionsrichtlinien zur fertigungsgerechten Gestaltung ebenfalls zu berücksichtigen. Zu betrachten sind zwangsläufig auftretende Bearbeitungsschritte, wie die Entfernung von Supportstrukturen, aber auch weiterführende Bearbeitungsschritte im Dreh- bzw. Fräsprozess. Grundsätzlich sollte die Gestalt eines technischen Produkts durch die Funktion bestimmt werden. Dabei können die daraus resultierenden Randbedingungen, äußere Einflüsse und weitere Produktanforderungen, die jeweiligen Abschnitte vorgeben. Diese sind zunächst zu ermitteln. Bei der Rotorgestaltung ergeben sich die Anforderungen aus der mechanischen und elektromagnetischen Funktion. Entsprechend der schematischen Darstellung aus Bild 08 können drei unterschiedliche Abschnitte identifiziert werden. Abschnitt 1 entspricht dem Rotor-Aktivteil, in dem der magnetische Fluss geführt wird und der dementsprechend aus möglichst weichmagnetischem Material bestehen sollte. In diesem Abschnitt wirkt das vom Stator erzeugte Magnetfeld auf das Magnet- 07 Aufbau einer additiv gefertigten Bauteilschicht mit Konturbahn und Hatch-Linien (links oben); Prüfkörper für Wanddickenprüfung (links unten) und erste Ergebnisse zu Maßabweichungen (rechts) 08 Schematische Darstellung des Rotors mit den unterschiedlichen Abschnitten 09 a): max. von-Mises-Spannung und b): Hauptflussdichte in Abhängigkeit von der Streustegbreite, bezogen auf die Referenzmaschine (entspricht der rel. Streustegbreite 1 mm) feld der Permanentmagnete. Die Überlagerung der beiden Magnetfelder im Luftspalt der PMSM führt zu Maxwell‘schen Grenzflächenkräften, welche an der Stator- bzw. Rotoroberfläche angreifen und somit das Drehmoment der elektrischen Maschine erzeugen. Da die Führung des magnetischen Flusses im Aktivteil von großer Bedeutung ist, hat dieser Abschnitt einen großen Einfluss auf die Gestalt des Rotors. Der Rotorjochbereich, also der Teil des Aktivteils zwischen den Permanentmagneten (Bild 08, www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/06 39

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