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Heraeus

3-D-Druck von hochleitfähigem Kupfer

Die technischen Hürden bei der additiven Fertigung von hochleitfähigen Kupferbauteilen hat Heraeus Additive Manufacturing, Hanau, nach eigenen Angaben genommen und Material und Prozess auf einem Standarddrucker optimiert. So lassen sich Bauteile mit einer Dichte von 99,8 % des Vollmaterials und einer Leitfähigkeit von 95 % IACS (International Annealed Copper Standard) produzieren. Marktüblich sind bisher etwa 85 % IACS. Auf der formnext vom 13. bis 16. November 2018 in Frankfurt am Main zeigte Heraeus 3-D-gedruckte hochleitfähige Kupferbauteile.

Damit ist laut Tobias Caspari, Leiter Heraeus Additive Manufacturing, die additive Fertigung von hochleitfähigen Kupferbauteilen in vielen Industriebereichen möglich und wirtschaftlich. Er verspricht reproduzierbare Bauteilqualitäten und dadurch eine Ersatzteilbeschaffung, die sich von mehreren Monaten auf Tage reduziert.

Anwendungsbeispiele sind Komponenten aus den Bereichen Elektroantriebe, induktives Heizen, thermisches Management und weitere Applikationen, welche die exzellenten elektrischen und thermischen Eigenschaften von Kupfer ausnutzen. Fertigungstoleranzen sind bei konventionellen Fertigungsverfahren oft zu hoch, um die Reproduzierbarkeit in besonders sensiblen Fertigungsprozessen zu erreichen, etwa bei Produkten für anspruchsvolle Kühlkörper oder die Laserübertragung. Heraeus arbeitet nun daran, die Leitfähigkeit des mikrolegierten Kupfers noch weiter zu erhöhen und die gewonnenen Erkenntnisse auf andere Standardanlagen zu übertragen. Dies ist laut Heraeus notwendig, da sich die Drucker verschiedener Hersteller unterschiedlich verhalten. Nicht nur Material und Prozess, sondern auch das Druckersystem bestimmen die Qualität des Bauteils.

Die Herausforderung für die Materialund Prozessentwickler: Kupfer verfügt über eine hohe Leitfähigkeit und Duktilität, reflektiert jedoch die bei Standardanlagen verwendete Laserwellenlänge fast wie ein Spiegel. Gleichzeitig bewirkt die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers das schnelle Abführen der eingekoppelten Energie. Folge ist ein sehr enges Prozessfenster. Diese Charakteristika machen den konventionellen 3-D-Druck von reinem Kupfer unmöglich. Bislang bestand ein Lösungsansatz darin, unterschiedliche Kupferlegierungen zu verwenden, allesamt zulasten der Leitfähigkeit und anderer Eigenschaften wie der Korrosionsbeständigkeit. Ein weiterer Ansatz war eine Modifizierung des Fertigungsprozesses, was Abstriche in der Bauteilqualität mit sich bringt. Beispielsweise weist das Bauteil eine höhere Porosität auf, wenn der Laserstrahl das Material nur anschmilzt und nicht komplett verschmilzt. Ein dritter Lösungsansatz besteht darin, andere Laserquellen zu verwenden. Dazu gibt es aber bisher noch keine kommerzielle Umsetzung.

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Materialexperte bei der Prüfung eines additiv gefertigten Rillenhornstrahlers aus mikrolegiertem Kupfer.

FOTO: HERAEUS