Kompakte nanokristalline Weichmagnete mittels Feldunterstütztem Sintern

Motivation

Das erfolgreich abgeschlossene DFG-Projekt (SPP1959: BR 1844/21-1/2) zur Simulation der Temperaturverteilung und des Kornwachstums während des feldunterstützten Sinterns (FAST) bildet die Grundlage für das hier geplante Transfervorhaben. Die in dem vorausgegangenen Projekt erzielten Ergebnisse sollen in diesem Vorhaben in eine industrielle Anwendung überführt werden. Das beantragte Projekt setzt bei einem Technologie-Reifegrad (TRL) von TRL 4 an. Das dabei erarbeitete Simulationsmodell stellt die grundlegende Basis für die Anwendung und Weiterentwicklung auf das anwendungsorientierte Themenfeld der Herstellung kompakter nanokristalliner Weichmagnete dar.

FAST/SPS soll zur Herstellung kompakter nanokristalliner Weichmagnete aus der Finemet-Legierung Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7 (at.%) eingesetzt werden, um weichmagnetische Komponenten mit höherer Geometrievielfalt, hoher Leistungsdichte und geringsten Ummagnetisierungsverlusten herzustellen. Der damit einhergehende Verzicht auf die typische Kunststoffumhausung der kommerziellen Ringbandkerne ermöglicht eine Erhöhung der Einsatztemperatur auf 300°C, statt wie üblich 150°C. Für die Miniaturisierung und effiziente Energieumwandlung sind diese Bestrebungen im Bereich der Weichmagnete aktuell von außerordentlichem Interesse. Der Einsatz der kompaktierten Komponenten ist in Abhängigkeit von der erzielten magnetischen Permeabilität in unterschiedlichen induktiven Bauelementen denkbar, so dass eine große Anwendungsbreite gewährleistet werden kann. Voruntersuchungen zeigten, dass die Prozessierung amorpher Bänder in Form von Flakes vielversprechende Eigenschaften erzielen kann. Die weichmagnetischen Eigenschaften lassen sich über die Größe der Flakes unmittelbar einstellen. Jedoch führen unterschiedliche Größen der Flakes zu einer komplett anderen Temperaturverteilung in der Probe. Um das erforderliche Temperaturfenster zielgerichtet einstellen zu können und die Homogenität der Probe zu gewährleisten, ist die Simulation erforderlich.

Projektinhalte

Die im vorangegangenen DFG-Projekt gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden bilden eine sehr gute Ausgangsbasis für die industrielle Umsetzung in dem hier beantragten Vorhaben. Mittels weiterentwickelter Modelle können die konzeptionellen Ideen zur Homogenisierung der Temperaturverteilung und Verdichtung des weichmagnetischen Werkstoffs während des FAST/SPS in virtuellen, iterativen Simulationsschleifen getestet und anschließend bei der Herstellung des Demonstrators eingesetzt werden. Mit dieser Vorgehensweise kann die heutige Trial-and-Error-Methode durch ein einfaches Verfahren ersetzt werden, welches Zeit, Ressourcen und Geld spart. Die geplanten Arbeiten sind:

• Weiterentwicklung der numerischen Simulationen für eine präzise Vorhersage der Temperaturverteilung im Pulver bzw. in der Probe aus dem weichmagnetischen Material.
• Weiterentwicklung des werkstoffspezifischen numerischen Modells zur Simulation der Verdichtung des weichmagnetischen Materials während FAST/SPS unter Berücksichtigung der Temperaturverteilung im Pulver bzw. im Bauteil.
• Verständnis der Verdichtungsmechanismen amorpher Pulver mit geringer elektrischer- und thermischer Leitfähigkeit im FAST/SPS Prozess.
• Demonstration der Erzeugung von Ringkernen mit homogenem Gefüge aus schlecht elektrisch und schlecht wärmeleitfähigem amorphen Flakes mittels FAST.
• Realisierung einer homogenen Temperatur für komplexe und große Teile mit den Methoden der selektiven elektrischen Isolierung und der Modifizierung des Werkzeugdesigns.
• Umsetzung der Technologien von Modellierung und Simulation in der Prozessentwicklung und Produktion des Demonstrators (Upscaling und komplex-geformte Geometrie).
• Reduzierung der Ressourcen (Zeit, Energie, Material), da die Implementierung und Anwendung des PID-Reglers in der FEM-Simulation Verzicht auf Trial-and-Error ermöglicht

Projektpartner

• Fraunhofer IFAM, Institutsteil Dresden
• Magnetec GmbH

Förderung

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft