VTT on koordinaattorina SOMA-tutkimushankkeessa, jossa keskitytään laajentamaan 3D-tulostusta varten räätälöityjen ja mahdollisimman vähän kriittisiä raaka-aineita hyödyntävien pehmeiden magneettiseosten käyttöä. Tavoitteena on mahdollistaa siten kevyet ja materiaalitehokkaat ratkaisut esimerkiksi tulevaisuuden sähköistä liikkuvuutta varten.
Sähkömekaaniset laitteet ovat keskeisessä asemassa liikenteessä
Liikenteen osuus maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä on 24 prosenttia. Näitä päästöjä voidaan kuitenkin vähentää sähköajoneuvojen avulla ja esimerkiksi Kansainvälinen energiajärjestö ennustaa, että sähköajoneuvojen määrä kasvaa seitsemästä miljoonasta ajoneuvosta (vuonna 2019) 140 miljoonaan ajoneuvoon vuoteen 2030 mennessä. Koska kyseessä on erittäin laaja ja suuri muutos, on viime vuosikymmeninä panostettu merkittävästi erityisesti sähköajoneuvojen akkuteknologioiden tutkimukseen. Akkujen lisäksi uudenlaiset sähkökoneet ja -laitteet ovat tällä hetkellä suuren kiinnostuksen ja kehittämisen kohteena. Ajoneuvojen moottoreiden maailmanmarkkinoiden arvo oli ReportLinkerin mukaan vuonna 2019 yhteensä noin 26 miljardia euroa (31 miljardia Yhdysvaltain dollaria).
Sähkökoneiden tutkimus- ja kehitystyötä ohjaavat paitsi sääntely, mutta myös sovelluskohtaiset vaatimukset sekä materiaalien niukkuus ja saatavuus. Energiatehokkuutta koskevia säädöksiä kiristetään jatkuvasti ja esimerkiksi Euroopan unionissa pannaan täytäntöön tiukempia sähkömoottoreiden ekologista suunnittelua koskevia säädöksiä tulevana kesänä sekä vuonna 2023. Lisäksi liikkuvien sähkökoneiden on luonnollisesti oltava sekä energiatehokkaita että kompakteja ja helposti yhdistettävissä rakenteisiin ja järjestelmiin. Maailmanlaajuisesti niin liikenteen kuin kaiken muunkin sähköistäminen luo valtavaa kysyntää tietyille raaka-aineille – myös kriittisille raaka-aineille. Yhdessä kaikki nämä tekijät luovat ennennäkemättömän kysynnän uudistetuille sähkömekaanisille laitteille, jotka ovat entistä tehokkaampia, kuluttavat vähemmän raaka-aineita ja ovat elinkaarikustannuksiltaan edullisempia. Tämä vaatimus kannustaa valmistajia ja tutkimusyhteisöä kehittämään vaihtoehtoisia suunnitteluvalintoja, valmistusmenetelmiä ja materiaaleja.
3D-tulostus vapauttaa komponenttien suunnittelua ja vähentää raaka-aineiden kulutusta
Materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on teknologia, jolla valmistetaan kappaleita lisäämällä yksi ohut materiaalikerros kerrallaan. Se voi mullistaa sähkömekaanisen teollisuuden ja sähkökoneet ja 3D-tulostus avaa esimerkiksi mahdollisuuksia uudenlaisten magneettipiirien valmistukselle. Perinteisellä tavalla valmistettujen sähkökoneiden magneettipiirit perustuvat pinottuihin sähköteräslevyihin, jotka vähentävät pyörrevirtahäviötä. Tämä laminointimenetelmä rajoittaa kuitenkin komponenttien suunnittelumahdollisuuksia. 3D-tulostamalla on mahdollista valmistaa 3D-optimoituja malleja, joiden suunnittelu perustuu esimerkiksi painon tai materiaalin menekin pienentämiseen. 3D-tulostus tuottaa valmistustapansa ansiosta vähemmän jätettä kuin perinteinen valmistaminen. Koska sähkömekaanisissa komponenteissa käytetään uusia pehmeitä magneettisia materiaaleja, myös kriittisten raaka-aineiden käyttö vähenee.
Aiemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että räätälöimällä materiaalikoostumuksia ja optimoimalla valmistusparametrit sekä erityisesti jälkikäsittelyt, 3D-tulostuksella voidaan valmistaa erittäin suorituskykyisiä pehmeitä magneettisia komponentteja. Lisäksi on osoitettu, että topologian optimoinnin avulla sähkökoneista voidaan tehdä merkittävästi kevyempiä heikentämättä muita ominaisuuksia. Tavoitteena on 3D-tulostuksen avulla parantaa materiaalitehokkuutta 30 prosenttia perinteisiin materiaalia poistaviin valmistusmenetelmiin verrattuna.
Tulevia haasteita
VTT toimii koordinaattorina SOMA-tutkimushankkeessa (Lightweight solutions for e-mobility by AM of soft magnetic alloys), jossa keskitytään laajentamaan 3D-tulostusta varten räätälöityjen ja mahdollisimman vähän kriittisiä raaka-aineita hyödyntävien pehmeiden magneettiseosten käyttöä. Lisäksi osoitetaan valmistusreitti, jota perinteisten valmistusmenetelmien rajoitukset eivät koske. Tämä mullistaa suunnittelun ja mahdollistaa siten kevyet ja materiaalitehokkaat ratkaisut esimerkiksi tulevaisuuden sähköistä liikkuvuutta varten.
VTT on tutkinut sähkökoneiden komponenttien 3D-tulostamista jo vuodesta 2014 lähtien. Jauhesynteesistä topologiaoptimoituihin, 3D-tulostamalla valmistettuihin pehmeisiin magneettisiin komponentteihin etenevä menetelmä on osoitettu toimivaksi laboratoriotutkimuksissa. Tulevaisuuden haasteena on pehmeän magneettijauheen tuotanto- ja valmistusmenetelmien laajentaminen teollisen tuotannon vaatimaan mittakaavaan.
Hanke toteutetaan 1.1.2021–31.12.2023, ja siihen osallistuu viisi kumppania. Konsortiossa on mukana jauhe-, valmistus- ja sähkökoneasiantuntijoita. Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy toimii hankkeen koordinaattorina ja osallistuu tutkimustoimintaan. Jauhetuotteiden komponenttien validoinnista vastaavat Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. CRF (Italia) ja Siemens AG (Saksa). Gemmate Technologies (Italia) suunnittelee ja optimoi komponentit. Jauheiden kaupallistamista johtaa Elkem (Norja). Hankkeen rahoittaa EU:n EIT RawMaterials. Hankkeen tavoitteena on kehittää pehmeitä magneettisia materiaaleja ja valmistusteknologioita, jotta niiden käyttöä voidaan laajentaa ja jotta niitä voidaan tuottaa teollisesti.
Lisätietoja hankkeesta on osoitteessa
https://www.soma-eit.eu/
Lisätietoja
Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy
Tomi Lindroos
Puhelin: +358 50 302 0227
Sähköposti: [email protected]
