Best Paper Award für Varatharaja Nallathambi

Optimierung 3D-gedruckter Magnete für die Elektrifizierung

Auf den Punkt gebracht:

• Auszeichnung: CENIDE Best Paper Award 2025 für Varatharaja Nallathambi
• Forschung: Erhöhung der Magnetfeld-Stärke von 3D-gedruckten Nd-Fe-B-Permanentmagneten durch Modifikation des verwendeten Metallpulvers
• Zentrales Ergebnis: Die Zugabe von 1 Gew.-% Silbernanopartikeln erhöht die Magnetfeld-Stärke um bis zu 17%, ohne Einbußen bei der Remanenz oder zusätzlicher Nachbehandlung
• Relevanz: Ressourceneffiziente Dauermagnete für Elektromotoren und Elektrifizierungstechnologien
• Methode: Additive Fertigung kombiniert mit gezieltem Design der Mikrostruktur

Das Center for Nano-Integration Duisburg-Essen (CENIDE) hat Varatharaja Nallathambi, Doktorand am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien sowie an der Universität Duisburg-Essen, mit dem CENIDE Best Paper Award 2025 in der Kategorie „Magnetic Materials“ ausgezeichnet. Prämiert wurde seine Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Advanced Science, in der er und seine Ko-Autor:innen zeigen, wie sich die magnetischen Eigenschaften 3D-gedruckter Permanentmagnete durch eine gezielte Modifikation des für den 3D-Druck verwendeten Metallpulvers verbessern lassen. Nallathambi teilt sich die Auszeichnung mit Philipp Gabriel, Doktorand an der Universität Duisburg-Essen und ko-leitender Autor der Studie.

Permanentmagnete für die Elektrifizierung

Permanentmagnete sind zentrale Komponenten in Elektromotoren und Stromerzeugungssystemen und damit essenziell für die fortschreitende Elektrifizierung von Mobilität, Energieinfrastruktur und Industrie. Die leistungsstärksten heutigen Permanentmagnete basieren überwiegend auf Seltenen Erden, etwa Neodym in Nd–Fe–B-Magneten. Angesichts des stark steigenden Bedarfs an Elektromotoren und somit an magnetischen Materialien, ist es eine zentrale Herausforderung, den Einsatz kritischer Rohstoffe und Seltener Erden zu reduzieren, ohne die Leistungsfähigkeit der Magnete zu beeinträchtigen.

In diesem Zusammenhang eröffnet die additive Fertigung – also der 3D-Druck – neue Perspektiven. Im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren erlaubt sie ein funktionsgerechte Design von Magneten, reduziert Materialverluste und bietet große geometrische Freiheitsgrade. Gleichzeitig ist die Einstellung der magnetischen Eigenschaften 3D-gedruckter Magnete anspruchsvoll, da diese stark von ihrer Mikrostruktur abhängen.

Silbernanopartikel verbessern Magnetfeldstärke

„Wir konnten zeigen, dass bereits sehr kleine Änderungen in der Zusammensetzung des Metallpulvers, welches wir für den 3D-Druck verwenden, die Magnetfeldstärke deutlich erhöhen können, ohne andere zentrale magnetische Eigenschaften zu beeinträchtigen“, erklärt Nallathambi. In ihrer Studie untersuchten Nallathambi und seine Kolleg:innen, wie eine gezielte Oberflächenmodifikation eines kommerziell verfügbaren, neodymarmen Pulvers die magnetische Leistung von 3D-gedruckten Nd-Fe-B-Magneten beeinflusst. Die Zugabe von lediglich 1 Gew.-% Silbernanopartikeln auf die Pulveroberfläche erhöhte die Magnetfeldstärke um bis zu 17%, ohne die Remanenz zu verringern oder zusätzliche Nachbearbeitungsschritte erforderlich zu machen.

Bei der additiven Fertigung trifft ein Laserstrahl auf ein Pulverbett, das Pulver schmilzt und erstarrt, sobald der Laserstrahl abgeschaltet wird. Danach wird eine neue Pulverschicht aufgetragen, bis sich Schicht für Schicht die gewünschte Form aus dem Pulver bildet. Während der Erstarrung bilden sich in den oberflächenmodifizierten Proben silberhaltige Nanophasen, die eine heterogene Keimbildung begünstigen. Dadurch entsteht eine veränderte Mikrostruktur mit verfeinerten Körnern der primären Nd₂Fe₁₄B-Phase sowie einer Ti-Zr-B-angereicherten intergranularen Phase – im Gegensatz zur unmodifizierten Referenzprobe. Diese mikrostrukturellen Veränderungen führen zu einer verbesserten Domänenwandverankerung und damit zu einer erhöhten Magnetfeldstärke.

In einer Folgestudie untersuchte das Forschungsteam das Zusammenspiel von Silber-Oberflächenmodifikation und prozessintegrierter Wärmebehandlung in 3D-gedruckten Magneten mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Atomsondentomographie (APT). Die silberhaltigen Nanophasen und die Ti-Zr-B-angereicherte intergranulare Phase führen zu einer deutlich feineren magnetischen Domänenstruktur mit verbesserter Domänenwandverankerung, wie Lorentz-TEM-Untersuchungen zeigen. Insgesamt ermöglicht die Oberflächen-Nano-Modifikation eine gezielte Kontrolle der Mikrostruktur über konventionelle Prozessgrenzen hinaus und resultiert in verbesserten magnetischen Eigenschaften.

Auszeichnung durch CENIDE

Der CENIDE Best Paper Award würdigt herausragende wissenschaftliche Publikationen von Nachwuchswissenschaftler:innen in sechs thematischen Kategorien. Aus insgesamt 41 nominierten Arbeiten der Jahre 2024–2025 wurde jeweils eine Publikation pro Forschungsfeld ausgezeichnet. Die Preise sind jeweils mit 500 Euro dotiert.