Kupfer in der additiven Fertigung

Andrea Gillhuber,

Kupfer-Kühlkörper aus dem 3D-Drucker

Das Fraunhofer IMWS erforscht gemeinsam mit dem Kupferhalbzeughersteller KME den Einsatz von additiven Fertigungstechnologien für hochwärmeleitfähige Bauteile aus Kupfer und Kupferlegierungen. Das Ziel: neue Marktsegmente im Bereich der Kühlelemente für die Leistungselektronik erschließen.

Neues Forschungsprojekt zu Kupfer in der additiven Fertigung. © Fraunhofer IMWS

Kürzere Prozessschritte, schnellere Produktionszeiten, kurzfristige Änderungen, geringerer Materialverbrauch, erhöhte Funktionalität und dadurch verringerte Kosten – diese Eigenschaften der additiven Fertigung zählt das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS auf und gibt zugleich ein neues Forschungsprojekt bekannt. Gemeinsam mit dem Kupferhalbzeughersteller KME sollen in einem neuen Projekt der Einsatz von additiven Fertigungstechnologien für hochwärmeleitfähige Bauteile erforscht werden. Kupfer ist ein Werkstoff mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird. Da Silber als Werkstoff aufgrund seines hohen Preises nur für einzelne Spezialfälle zur Anwendung kommt, setzen die Projektpartner im Gemeinschaftsprojekt „Technologie- und Materialentwicklung zur additiven Fertigung komplexer hochwärmeleitfähiger Cu-Bauteile – CuAdd“ auf Kupfer und dessen Legierungen. Die Erforschung additiver Fertigungsmethoden mit Kupfer ist ein Markt mit Zukunftsperspektiven.

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Kupfer in der additiven Fertigung

Im Projekt werden Verfahren der additiven Fertigung für metallische Bauteile bewertet, darunter Fused Deposition Modeling (FDM), Binder Jetting (BJ), Nano Particle Jetting (NPJ) und Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF). Bei diesen Technologien werden die Bauteile schichtweise generiert. Als Ausgangsmaterialien kommen dabei die Kupfersorten Cu-ETP, Cu-OFE beziehungsweise Cu-HCP und die Kupferlegierungen CuCrZr und CuNi2SiCr zum Einsatz. Sie werden getestet und gleichzeitig wird die Kompatibilität unterschiedlicher Polymersysteme wie PLA (Polymilchsäuren) und PA (Polyamide) mit Kupfersystemen geprüft. Unterschiede bei der weiteren Verarbeitung bestehen bei der prozessabhängigen Materialzuführung und bei der Verarbeitungstemperatur.

 Laser-Powder-Bed-Fusion favorisiertes Verfahren

Das favorisierte Verfahren der Forschenden ist das Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF): Hier wird das Material in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird definiert mittels Laserstrahlung bei Temperaturen über 1000 °C vollständig umgeschmolzen und bildet eine feste Materialschicht. Danach wird die Platte abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen und das Bauteil fertig ausgebildet ist.

Des Weiteren wird im Projekt geprüft, welches Pulver beziehungsweise Pulvergemisch in seinen Bestandteilen für welche Anwendung geeignet ist. Dabei spielen Faktoren wie die Partikelgröße, Fließfähigkeit und Porosität eine bedeutende Rolle, wenn die gewünschten Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit oder auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Bauteile erreicht werden sollen. Als Ergebnis wollen die Forscher einen Prototyp mit geometrisch komplexer Struktur mittels additiver Herstellungsverfahren fertigen, der beispielsweise als Hochleistungskühlkörper eingesetzt werden kann.

Nach Unterlagen des Fraunhofer IMWS 

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