Obwohl das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Kupfer einige Herausforderungen mit sich bringt, gibt es laufend neue Technologien, die diese Anwendung erleichtern.

Die additive Metallfertigung hat sich bereits über ein Jahrzehnt dafür bewährt, Prototypen schnell zu erstellen. Dazu wird diese mittlerweile in verschiedenen Branchen auch für die Serienproduktion eingesetzt. Besonders im Zeitalter der Topologie Optimierung und KI-generierter Designs hat sich die Technologie als sehr attraktiv erwiesen.

Hochleistungsanwendungen, die eine effiziente Wärmeableitung und einen minimalen elektrischen Leistungsverlust erfordern, tendieren in den meisten Fällen zu Kupfer, da dieses eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt. Darüber hinaus ist Kupfer - aufgrund seiner verbesserten Leistungseigenschaften im Vergleich zu Aluminium und der geringeren Kosten im Vergleich zu Silber – zur unumstrittenen Wahl geworden.

Konventionelle Fertigungstechniken haben jedoch entweder das Preis-Leistungs-Verhältnis verschlechtert oder die Designfreiheit beschränkt. Viele neue Geometrien probierte man gar nicht erst aus, da sie nicht umsetzbar gewesen wären. Mit den Fortschritten der additiven Fertigungstechnologie für Kupfer und Kupferlegierungen ergeben sich jedoch eine Reihe neuer Möglichkeiten für diese kritischen Anwendungen.

3D Systems bietet jetzt eine druckbare Kupfer-Nickel-Legierung

Die Wahl der Kupferlegierung hängt von der Funktion der additiv gefertigten Komponente im Endprodukt ab. Kühlkörper und Wärmeaustauscher sind wärmeleitfähiger und finden sich üblicherweise in Anwendungen wie Elektronikgehäusen, Serverkühlsystemen oder GPU/CPU-Kühlern. Reines Kupfer und in einigen Fällen auch leicht legiertes Kupfer bieten hierfür ideale Materialeigenschaften. Da diese Komponenten nicht mechanisch belastet werden, ist die geringere Festigkeit von Kupfer kein Hindernis. Herkömmliche Designs für die konventionelle Fertigung sind aufgrund der Beschränkungen des Fertigungsprozesses eingeschränkter in ihrer Freiheit. Bei der additiven Metallfertigung gibt es keine derartigen Hindernisse und das Design kann schnell an die Spezifikationen der Baugruppe angepasst werden.

Komplexer Wärmetauscher, hergestellt aus sauerstofffreiem Kupfer auf dem DMP Factory 350 von 3D Systems (1 kW). (Bild: 3D Systems)

Induktionsspulen und Hairpin-Statoren werden aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit (>100 % IACS) konventionell aus sauerstofffreiem Kupfer (>99,95–Gew.-%) gefertigt. Der Fertigungsprozess umfasst mehrere Schritte der Kaltumformung und des Lötens, was die Gestaltungsfreiheit einschränkt und letztendlich das Endprodukt weniger effizient werden lässt. Die additive Metallfertigung ermöglicht es, dicht gepackte, einteilige Spulen herzustellen, die eine bessere elektrische Effizienz auf engstem Raum bieten.

Eine weitere einzigartige Anwendung für additiv gefertigte Kupferlegierungen sind Brennkammern für Flüssigraketentriebwerke. Solche Anwendungen mit hohem Wärmeabfluss mit dünnen Wänden und komplexen internen Kühlkanälen erfordern spezielle Legierungen. Diese sollten äußerst fest und leitfähig sein. Kupferlegierungen wie GrCop42 oder CuCr1Zr bieten in Kombination mit der LPBF-Technologie (pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen) viel Gestaltungsfreiheit. Die resultierenden Brennkammern überzeugen mit höherer Leistung und Kühleffizienz als herkömmlich gefertigte Kammern. Bei diesen bestehen aufgrund subtraktiver Fertigungsmethoden und Lötung Beschränkungen im Hinblick auf das Design.

Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von sauerstofffreiem und reinem Kupfer besteht darin, dass es nur etwa fünf bis zehn Prozent der Laserleistung infraroter Wellenlängen absorbiert. Daher haben sich 3D-Druckerherstellende entweder für einen Laser mit sichtbarer Wellenlänge oder einen Hochleistungs-Infrarotlaser entschieden. Grüne Laser sind jedoch teuer, unzuverlässiger und haben eine geringere Strahlqualität. Das macht Infrarotlaser mit höherer Leistung zu einer attraktiveren Lösung.

Wie weniger Stützstrukturen das Laserstrahlschmelzen voranbringen

Eine weitere Herausforderung beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen von reinem Kupfer ist seine Affinität zu Sauerstoff bei den erforderlichen Verarbeitungstemperaturen. Ein höherer Sauerstoffgehalt in der Prozesskammer hinterlässt eine verfärbte Kupferoberfläche und hat einen erheblichen Einfluss auf deren Leitfähigkeit. Der DMP Flex 350 von 3D Systems ist zum Beispiel mit einem 1-kw-Laser ausgestattet und ermöglicht es damit, dichte Kupferteile zu fertigen, die ohne zusätzliche Wärmebehandlung eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 100 % IACS aufweisen. Das Ergebnis ist eine Kombination aus dem Vakuumkammerkonzept - das einen O2-Wert von mehr als 20 Parts per Million (ppm) ermöglicht - und optimierten Prozessparametern und Scanstrategien.

Für Anwendungen, die keine hohe elektrische Leitfähigkeit erfordern, kann leicht legiertes Kupfer verwendet werden. Indem Verunreinigungen beigemischt werden, verringert sich nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch die Menge der absorbierten Laserleistung für die Infrarot-Wellenlänge wird erhöht. Dadurch sind Kupferlegierungen im Vergleich zu reinem Kupfer relativ einfach zu verarbeiten. Standardlegierungen wie CuCr2.4, GrCoP-42 und CuCr1ZR können problemlos mit herkömmlichen auf dem Markt erhältlichen Maschinen für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen verarbeitet werden. Hochleistungslaser sind für die Herstellung von Teilen mit ausreichender Dichte nicht zwingend erforderlich. Einige Geräteherstellende haben sich jedoch für deren Einsatz entschieden, um eine höhere Produktivität zu erzielen.

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Es ist für uns eine Selbstverständlichkeit, dass wir verantwortungsvoll mit Ihren personenbezogenen Daten umgehen. Sofern wir personenbezogene Daten von Ihnen erheben, verarbeiten wir diese unter Beachtung der geltenden Datenschutzvorschriften. Detaillierte Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Ich bin damit einverstanden, dass die Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planckstr. 7-9, 97082 Würzburg einschließlich aller mit ihr im Sinne der §§ 15 ff. AktG verbundenen Unternehmen (im weiteren: Vogel Communications Group) meine E-Mail-Adresse für die Zusendung von redaktionellen Newslettern nutzt. Auflistungen der jeweils zugehörigen Unternehmen können hier abgerufen werden.

Der Newsletterinhalt erstreckt sich dabei auf Produkte und Dienstleistungen aller zuvor genannten Unternehmen, darunter beispielsweise Fachzeitschriften und Fachbücher, Veranstaltungen und Messen sowie veranstaltungsbezogene Produkte und Dienstleistungen, Print- und Digital-Mediaangebote und Services wie weitere (redaktionelle) Newsletter, Gewinnspiele, Lead-Kampagnen, Marktforschung im Online- und Offline-Bereich, fachspezifische Webportale und E-Learning-Angebote. Wenn auch meine persönliche Telefonnummer erhoben wurde, darf diese für die Unterbreitung von Angeboten der vorgenannten Produkte und Dienstleistungen der vorgenannten Unternehmen und Marktforschung genutzt werden.

Falls ich im Internet auf Portalen der Vogel Communications Group einschließlich deren mit ihr im Sinne der §§ 15 ff. AktG verbundenen Unternehmen geschützte Inhalte abrufe, muss ich mich mit weiteren Daten für den Zugang zu diesen Inhalten registrieren. Im Gegenzug für diesen gebührenlosen Zugang zu redaktionellen Inhalten dürfen meine Daten im Sinne dieser Einwilligung für die hier genannten Zwecke verwendet werden.

Mir ist bewusst, dass ich diese Einwilligung jederzeit für die Zukunft widerrufen kann. Durch meinen Widerruf wird die Rechtmäßigkeit der aufgrund meiner Einwilligung bis zum Widerruf erfolgten Verarbeitung nicht berührt. Um meinen Widerruf zu erklären, kann ich als eine Möglichkeit das unter https://support.vogel.de abrufbare Kontaktformular nutzen. Sofern ich einzelne von mir abonnierte Newsletter nicht mehr erhalten möchte, kann ich darüber hinaus auch den am Ende eines Newsletters eingebundenen Abmeldelink anklicken. Weitere Informationen zu meinem Widerrufsrecht und dessen Ausübung sowie zu den Folgen meines Widerrufs finde ich in der Datenschutzerklärung, Abschnitt Redaktionelle Newsletter.

Im nicht wärmebehandelten Zustand sind diese Legierungen nicht sehr leitfähig, da sich das Legierungselement im Kupfergitter befindet. Um die Verunreinigungen als separate Phasen auszuscheiden, muss ein Schritt zur Wärmebehandlung erfolgen. Da diese festen, leitfähigen Kupferlegierungen aufgrund der Ausscheidungshärtung verwendet werden, muss der Wärmebehandlungsprozess optimiert werden. Die endgültigen Materialeigenschaften können je nach Temperatur auf eine höhere Leitfähigkeit oder eine höhere Festigkeit ausgerichtet werden.

Höhere Temperaturen würden in der Regel die Leitfähigkeit erhöhen, aber auch die Körner unerwünscht wachsen lassen. GrCoP-42, eine von der NASA entwickelte Legierung für Raketenantriebskomponenten, weist auch bei hohen Temperaturen hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Aufgrund der niobhaltigen Dispersoide wird die Phasenverteilung bei erhöhten Temperaturen beibehalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Es gibt offensichtlich einen wachsenden Bedarf an additiv gefertigtem, sauerstofffreiem, reinem Kupfer und Kupferlegierungen. LPBF stellt eine einzigartige Lösung dar, da sie eine hohe Oberflächenqualität und wettbewerbsfähige elektrische und thermische Leitfähigkeit vereint. In den letzten Jahren haben mehrere Herstellende von LPBF-Geräten ihre Kapazitäten schnell ausgebaut, um den Anforderungen an LPBF-Kupfer gerecht zu werden. Dank dieser verbesserten technischen Möglichkeiten können bestehende Anwendungen durch die Nutzung einzigartiger thermischer und elektrischer Eigenschaften funktionell optimiert werden. Außerdem gehören Montagevorgänge und mangelnde Zuverlässigkeit der Vergangenheit an.

* Martijn Vanloffelt ist Director der Application Innovation Group bei 3D Systems.

AIM3D und Schunk kooperieren beim 3D-Druck mit Kupfer

Durchbruch bei additiv gefertigten Kupferbauteilen

Impressum Cookie-Manager Datenschutz AGB Hilfe Mediadaten Autoren

Copyright © 2023 Vogel Communications Group

Diese Webseite ist eine Marke von Vogel Communications Group. Eine Übersicht von allen Produkten und Leistungen finden Sie unter www.vogel.de