3D-печать металлического стекла: Революция в электромоторах от AM2SoftMag

Исследователи в рамках европейского проекта AM2SoftMag разработали уникальный сплав металлического стекла на основе железа, пригодный для 3D-печати методом лазерного сплавления порошков (LPBF), что открывает путь к созданию более эффективных и энергосберегающих электродвигателей. Это достижение обещает снизить потери энергии в критически важных компонентах, таких как роторы и статоры, благодаря уникальным магнитным свойствам аморфной структуры.

Болевые точки 3D-печати и как их решает AM2SoftMag

Рождение нового сплава: AM2SoftMag и его состав

В основе прорывной технологии лежит сплав, разработанный в рамках европейского проекта AM2SoftMag. Основная цель — создание материала, который мог бы успешно применяться в технологии 3D-печати методом лазерного сплавления порошков (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) и сохранял бы при этом свою аморфную структуру. Аморфные металлы, или "металлические стекла", отличаются от традиционных кристаллических металлов отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. Эта уникальная структура наделяет их выдающимися механическими и, что особенно важно для данного проекта, магнитными свойствами.

Исследователи из Саарландского университета (UdS) в Германии сосредоточились на разработке железосодержащего сплава. Ключевой особенностью этого материала является его состав: он включает железо (Fe), кремний (Si), бор (B), ниобий (Nb) и никель (Ni). Важно отметить, что разработчики намеренно избегали использования фосфора (P), кобальта (Co) и редкоземельных элементов. Эти элементы часто добавляют в сплавы для улучшения их способности к стеклообразованию (glass-forming ability, GFA), но их отсутствие в новом сплаве может указывать на стремление к созданию более экологичного и экономически выгодного материала, а также к достижению специфических магнитных характеристик.

Сохранение аморфной структуры критически важно. При нагреве металлы имеют тенденцию к кристаллизации, что приводит к изменению их свойств. В случае металлических стекол кристаллизация означает потерю уникальных магнитных характеристик, таких как низкая коэрцитивность и высокая удельная намагниченность, которые делают их идеальными для применения в электродвигателях.

LPBF и вызовы кристаллизации: как AM2SoftMag справляется с нагревом

Технология лазерного сплавления порошков (LPBF) является одним из самых перспективных методов аддитивного производства металлов. Она позволяет создавать детали сложной геометрии путем послойного сплавления металлического порошка с помощью высокоэнергетического лазера. Однако, LPBF характеризуется быстрыми и повторяющимися циклами нагрева и охлаждения. Именно эти циклы представляют главную угрозу для аморфной структуры металлических стекол, так как могут спровоцировать процесс девитрификации — кристаллизации.

Железосодержащие металлические стекла привлекательны для электродвигателей благодаря своей способности значительно снижать гистерезисные и вихревые потери. Эти потери являются основной причиной неэффективности традиционных электродвигателей, так как они преобразуют часть электрической энергии в тепло, а не в механическую работу. Минимизация этих потерь напрямую ведет к повышению общего КПД двигателя и снижению энергопотребления.

Для борьбы с девитрификацией при LPBF, команда AM2SoftMag разработала сплав с повышенной устойчивостью к кристаллизации. Важным показателем является критическая толщина литья (critical casting thickness) — максимальная толщина, которую может иметь расплавленный металл, чтобы успеть остыть и затвердеть в аморфном состоянии, прежде чем произойдет кристаллизация. Для нового сплава AM2SoftMag этот показатель составляет около 1 мм. Это значительно превосходит аналогичные коммерческие сплавы, такие как Kuamet 6B2 и Finemet, которые свободны от фосфора, кобальта и редкоземельных элементов, но имеют критическую толщину литья всего около 150 мкм. Большая критическая толщина литья открывает возможности для создания более массивных и сложных деталей роторов и статоров.

Оптимизация процесса LPBF: роль двойного сканирования

Исследователи из IMDEA Materials в Мадриде взяли на себя задачу оптимизации параметров LPBF для нового сплава. Они экспериментировали с различными настройками лазера: мощностью, временем экспозиции, задержками между сканированием слоев (scan delay) и стратегиями двойного сканирования (double-scanning strategies).

Интересно, что простое повторное плавление (remelting) не привело к улучшению химической однородности материала. Однако, последующий анализ с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и наноиндентации показал, что применение второго прохода лазера (второе плавление) приводит к формированию более "расслабленного" и менее структурно неоднородного аморфного состояния. Это, в свою очередь, увеличивает сопротивляемость материала последующей кристаллизации. Другими словами, второй проход лазера, несмотря на отсутствие улучшения химической гомогенности, способствует улучшению микроструктуры, делая ее более стабильной в аморфном состоянии.

Исследования показали, что достигнутые значения коэрцитивности (один из ключевых параметров, характеризующих потери энергии при перемагничивании) находились в диапазоне от 44 до 77 А/м. Самое низкое значение — 44 А/м — было зафиксировано для образца, изготовленного с использованием одинарного сканирования и задержкой в 20 миллисекунд. Это значение, как отмечают авторы, как минимум на порядок ниже, чем у ранее достигнутых показателей для аналогичных железосодержащих металлических стекол, обработанных методом LPBF и не содержащих фосфор, кобальт и редкоземельные элементы.

При высоких степенях аморфности, коэрцитивность не демонстрировала явной зависимости от доли аморфной фазы. Исследователи предполагают, что на магнитные характеристики в большей степени влияют другие факторы, такие как пористость, остаточные напряжения и магнитострикция (изменение размеров материала под воздействием магнитного поля). Эти аспекты требуют дальнейшего изучения и контроля в процессе производства.

Перспективы: от лабораторных образцов к прототипам двигателей

Несмотря на впечатляющие результаты на уровне материаловедения и оптимизации процесса, разработка сплава AM2SoftMag находится на ранней стадии. Команда проекта еще не продемонстрировала влияние нового материала на эффективность реального, работающего электродвигателя.

Серьезным препятствием на пути к практическому применению остаются производственные дефекты. Напечатанные образцы содержали как поры, так и трещины. Исследователи подчеркивают, что предстоит еще много работы по снижению этих дефектов, прежде чем материал можно будет использовать для создания функциональных компонентов двигателей. Кроме того, измерение магнитной проницаемости (еще один важный магнитный параметр) было затруднено из-за неоднородности геометрии образцов, что усложняло точную оценку коэффициента размагничивания.

Следующие этапы проекта AM2SoftMag будут направлены на:

• Минимизацию производственных дефектов (пор и трещин) в процессе LPBF.
• Масштабирование технологии LPBF для производства более крупных и сложных деталей.
• Оценку характеристик материала в реальных прототипах роторов и статоров высокоэффективных электродвигателей.

В этих дальнейших исследованиях примут участие не только Саарландский университет и IMDEA Materials, но и Национальный институт метрологии Италии (INRIM) и Технический университет Берлина. Проект AM2SoftMag финансируется Европейским инновационным советом (European Innovation Council) в рамках программы Horizon Europe Pathfinder Open.

3D-печать меняет облик электродвигателей

Аддитивные технологии все активнее проникают в различные аспекты разработки электродвигателей. Например, в феврале 2026 года немецкая компания Additive Drives привлекла значительные инвестиции для масштабирования своей технологии 3D-печати электродвигателей. Они специализируются на создании индукционных двигателей без редкоземельных элементов, заявляя КПД до 98% для своих промышленных систем.

В том же месяце исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили платформу для многоматериальной экструзии, способную создавать функциональный линейный электродвигатель всего за три часа. Их система комбинирует проводящие, магнитные и конструкционные материалы, используя четыре экструдера, и в будущем планирует создание роторных двигателей.

Проект AM2SoftMag фокусируется на более фундаментальном аспекте — материалах. Вместо того чтобы печатать весь двигатель, он стремится решить проблему сохранения аморфной структуры и мягких магнитных свойств при LPBF обработке, устраняя дефекты, которые сегодня ограничивают применение таких материалов в роторах и статорах. Разработка 3D-печатаемого металлического стекла — это шаг к созданию следующего поколения высокоэффективных и энергосберегающих электродвигателей.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)