Metallisch glas maakt elektromotoren zuiniger

Nieuwe legeringen op basis van metallisch glas (amorf metaal) kunnen het rendement van elektromotoren fors verbeteren. Dat is de uitkomst van vier jaar onderzoek aan de Universiteit van het Saarland. De technologie opent de deur naar langere vluchttijden voor drones, grotere actieradius voor e-bikes en lager energieverbruik in talloze andere elektrische apparaten.

Elektromotoren verliezen onnodig veel energie, en dat probleem wordt erger naarmate de motor kleiner of sneller is. De oorzaak ligt in het voortdurend wisselende magnetische veld in de aandrijving. In een elektromotor draait een rotor in een stilstaand onderdeel, de stator. Daarbij bouwt het magnetische veld zich steeds opnieuw op, breekt weer af, en keert om.

IJzerverliezen

“Dat voortdurende ommagnetiseren kost kracht”, zegt Ralf Busch van de Universiteit van het Saarland. Telkens als het veld van richting verandert, draaien de magnetisch gepolariseerde domeinen in het materiaal mee — als kleine staafmagneetjes in het kristalrooster van het metaal. Dat veroorzaakt wrijving en warmteontwikkeling. Vakspecialisten noemen dit ijzerverliezen.

Amorfe structuur als oplossing

Stator- en rotorcomponenten bestaan vandaag de dag uit conventionele, zogenoemde weekmagnetische, grofkristallijne ijzerlegeringen. Die zijn weliswaar al geoptimaliseerd, maar kennen nog steeds relatief hoge hystereseverliezen bij het ommagnetiseren. Busch en zijn team willen dit materiaal vervangen door amorfe, glasachtige legeringen die nauwelijks energie verliezen bij het ompolen.

“De verliezen nemen sterk af wanneer de kristallieten extreem klein — nanokristallijn — zijn, of wanneer de kristalstructuur volledig ontbreekt, het materiaal dus amorf is”, legt Busch uit. Bij metallisch glas zijn de atomen niet gerangschikt in een kristalrooster, maar willekeurig bevroren op de plek waar ze zich bevonden in de gesmolten fase — net als bij gewoon glas. Zonder kristallieten die hen ophouden, glijden de magnetische domeinen (de zogenoemde Weisssche gebieden) vrijwel wrijvingsloos door het materiaal.

Vijfdimensionale ontwerpruimte

Metallisch glas is, ondanks de naam, allesbehalve broos: het is aanzienlijk sterker dan staal. De benaming ‘glas’ verwijst uitsluitend naar de interne structuur — het ontbreken van een kristalrooster — niet naar de mechanische eigenschappen.

De juiste legering vinden was allerminst eenvoudig. Ze moest tot glas kunnen stollen, de juiste magnetische eigenschappen bezitten en geschikt zijn voor 3D-printen. Busch: “We hebben honderden legeringen geselecteerd en getest op hun weerstand tegen kristallisatie. Die zoektocht speelt zich af in een vijfdimensionale ruimte. Werkt een legering niet, dan is het terug naar de tekentafel.”

Ruim een jaar geleden volgde de doorbraak: het Saarbrückse team identificeerde drie legeringen die bestand zijn tegen kristallisatie en aan alle eisen voldoen om motorcomponenten volledig glasachtig te printen. De samenstellingen bevatten 70 tot 80 procent ijzer, zonder kritieke elementen zoals kobalt.

3D-printen laag voor laag

De nieuwe materialen worden verwerkt via Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Het metaalpoeder wordt laag voor laag met een laser opgeschmolten en afgekoeld, waarbij lagen van 50 micrometer dik worden opgebouwd tot volledige motoronderdelen — door en door amorf, zonder storende kristallieten. De aanpak lijkt op spuitgieten van kunststof, maar dan voor metaal.

De volgende stap is het opschalen naar industriële productie. “De uitdaging is nu het proces zo door te ontwikkelen dat het in de praktijk en op industriële schaal werkt”, aldus professor Matthias Nienhaus, specialist aandrijftechniek aan de Universiteit van het Saarland. Daartoe worden de parameters van het L-PBF-proces nauwkeurig afgesteld en nieuwe verwerkingsmethoden ontwikkeld.

Europees consortium

Het onderzoek wordt uitgevoerd in het project AM2SoftMag (Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics), dat door de Europese Innovatieraad is gefinancierd via het Horizon Europe Pathfinder-Open programma (2022–februari 2026). Initiatiefneemster was professor Isabella Gallino, die het project in 2022 aan de Universiteit van het Saarland heeft ingediend en sinds 2024 verbonden is aan de Technische Universität Berlin.

Het consortium telt partners uit vijf landen: Heraeus Amloy Technologies (Karlstein am Main) is verantwoordelijk voor het 3D-printen van de magnetische componenten; Fundación Imdea Materiales in Madrid levert expertise op het gebied van metaal-3D-printen; het Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) in Turijn meet de magnetische eigenschappen van de nieuwe materialen; en Amazemet in Warschau levert gespecialiseerde metaalpoeders.

⚠️ Geen vacatures gevonden.