德国萨尔大学（Saarland University）科研团队通过3D打印技术，成功制备出全无定形金属玻璃电机零件，有效降低传统电机因晶体结构产生的能量损耗。项目利用激光粉末床熔融（LPBF）精确控制冷却速率，使复杂电机部件实现高性能、无晶粒结构，同时无需钴等稀有金属，兼具可持续性。该突破为高效节能电动机、工业自动化及电动出行提供了新材料解决方案，标志着金属增材制造在能源优化领域迈出重要一步。
电动机是地球上最广泛使用的能量转换装置之一，但在小型应用中效率往往偏低。它们消耗的电力中有一部分会以热量的形式损失，这源于传统金属合金对交变磁场的响应方式。
德国萨尔布吕肯萨尔大学的研究人员用了四年时间，并通过欧盟资助投入了350万欧元，尝试从材料层面消除这种损失，他们已实现了全无定形金属电机部件的3D打印。这表明激光粉末床熔融（LPBF）技术如今能够精确控制冷却速率，从而制造出复杂的金属零件而不形成晶体结构，这标志着向高性能材料的一大重要进步。
该研究在“用于软磁的无定形金属增材制造（AM2SoftMag）”项目下进行，项目由欧盟Horizon Europe Pathfinder计划资助，时间为2022年至2026年初。
Ralf Busch教授与博士生Amirhossein Ghavimi正在开发使用金属玻璃的高能效电动机。照片由Pasquale D'Angiolillo/UdS提供。
比钢更强，塑料般可塑
项目负责人Ralf Busch一直在探索无定形合金，以解决电动机的根本效率问题。“我们正在寻找通过改进电动机材料来减少能量损失的方法。在现有电机中，定子和转子部件由传统软磁、粗晶铁合金制成。尽管这些合金已经经过优化，但在重新磁化过程中仍会产生较高的磁滞损失。我们希望用无定形、玻璃状合金替代传统晶体合金，因为它们在重新磁化过程中几乎不损耗能量，”Busch教授表示。在金属玻璃中，无序的原子结构使磁畴能够自由重新定向，从而减少电机运行中累积的能量损失。
尽管名称中带有“玻璃”，金属玻璃与窗玻璃的脆弱特性毫无关系，它的结构强度甚至超过钢材。“玻璃”一词仅指材料内部缺少晶格结构，而这种内部无序正是其在电机应用中有价值的原因。
研究团队通过激光熔化富铁粉末，并精确控制冷却速率，使每50微米的层在晶体结构形成之前就已固化。最终得到的部件完全无定形，且可制成复杂的电机几何形状。该工艺还消除了通常高性能电机材料中所需的钴等关键合金元素，实现了可持续发展的优势。
寻找合适的合金配方
找到同时满足玻璃形成、磁性能和3D打印兼容性的合金，是项目的核心挑战。“我们筛选了数百种合金，测试它们的抗晶化能力。在五元素合金中，这意味着要在五维组成空间中搜索。如果一种合金不符合要求，就必须重新设计整个配方。真正的突破是在一年多前实现的，”Busch教授说。经过多轮筛选，团队最终确定了三种可行配方，使得完全无定形的打印电机部件成为可能。
然而，“当前的挑战是将这一工艺发展成在实践中可靠运行，并能够实现工业规模生产，”项目共同研究者、萨尔大学Matthias Nienhaus教授表示。
目前的工作重点是优化LPBF工艺参数，并开发新的制造方法，使这项技术更接近工业化应用。该研究仍在欧洲范围内的协作中进行。
该项目最初由Isabella Gallino于2022年在萨尔大学发起。德国Heraeus AMLOY Technologies负责磁性部件的工业3D打印。学术合作伙伴包括马德里IMDEA Materials Foundation的Dr. Teresa Pérez Prado（专注金属增材制造）、都灵INRIM的Dr. Paola Tiberto（专注磁性能测量）以及华沙AMAZEMET的Dr. Tomasz Choma（负责金属粉末生产）。
电机效率已成为增材制造战略重点
降低电动机能量损失处在电气化、可持续发展目标和工业竞争力的交汇点。随着电动出行、机器人技术和自动化的发展，传统电机材料的低效率正成为日益昂贵的负担，而增材制造正成为少数能够从材料层面精确解决这一问题的生产路线之一。
多个相关方向的研究已在推进。例如，Additive Drives获得新投资，生产可实现高达98%能源效率、节能70%的3D打印电机，同时完全无需稀土材料。类似地，麻省理工学院最近开发了一种多材料挤出平台，可在单步工艺中现场制造完整电机，旨在实现更灵活、局部化生产。
萨尔大学的研究则采取了完全不同的方法。他们不只是优化几何结构、材料来源或制造灵活性，而是直接解决能量损失的物理机制，用不会在磁翻转过程中产生热量的非晶金属结构替代晶体金属结构。
