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Samstag, 20. Januar 2018

3-D-Druck

Die Kunst des Kupferdrucks

Von Stefan Asche | 5. Oktober 2017 | Ausgabe 40

Bislang war es nicht möglich, hochreine Kupferteile auf Lasersinteranlagen zu erzeugen. Doch nun zeichnen sich Lösungen ab. Der Markt ist groß.

BU grüner Laser ILT
Foto: Fraunhofer ILT, Aachen

Grünes Licht für reines Kupfer: Mit einem neuen Laser wollen Fraunhofer-Forscher das Pulver verschmelzen.

Kupfer ist King – jedenfalls in Bezug auf die Leitfähigkeit. Kaum ein anderer Werkstoff transportiert Strom und Wärme so effektiv. Deshalb wird er u. a. genutzt, um Induktoren zu bauen. In ihnen fließen hohe Ströme. Gleichzeitig muss die entstehende Hitze schnell abgeführt werden können.

Ein anderes Einsatzfeld des Metalls sind Kerne in Spritzgussformen. Je schneller sich die Werkzeuge abkühlen lassen, desto höher die möglichen Taktzeiten – und desto höher der Output.

Im Idealfall haben sowohl Induktor als auch Formkern konturnahe Kühlkanäle. Die aber lassen sich häufig nur mittels additiver Fertigung integrieren. Das Problem dabei: Reines Kupfer lässt sich nur sehr schlecht per Laser verschmelzen. Das Material absorbiert nämlich nur einen kleinen Teil der eingesetzten Lichtenergie – jedenfalls dann, wenn übliche Faserlaser mit einer Wellenlänge von rund 1 µm eingesetzt werden. Der Rest wird reflektiert und zerstört schlimmstenfalls die umgebende Hardware.

Die naheliegende Lösung: eine andere Wellenlänge. Tatsächlich werden Strahlen mit 500 nm vom Kupfer relativ wenig reflektiert. Sie leuchten grün. Entsprechende Laser sind frei verfügbar. Bei ihnen mangelt es aber an der Strahlqualität: Ihr Fokus ist schlicht zu groß. Sie würden Bauteile mit unzureichenden Eigenschaften und Oberflächen formen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT, Aachen) arbeiten gerade daran, dieses Problem zu beseitigen. Basis ihrer Lösung ist ein 1030-nm-Laser. Seine Wellenlänge wird mittels einer Optik halbiert. Problematisch dabei ist die niedrige Konversionseffizienz des eingesetzten Kristalls. Er wandelt einen Großteil der Laserleistung in Wärme um. Wer 200 W Ausgangsleistung braucht, muss ein Vielfaches der Energie einspeisen. Dadurch steigt aber auch die Gefahr einer thermischen Schädigung des Kristalls. Kurzum: Das grüne Licht lässt sich nicht beliebig intensivieren.

Die Fraunhofer-Forscher sind trotzdem zuversichtlich, bis Ende Oktober einen Laser zu entwickeln, der mit einer Ausgangsleistung von 400 W arbeitet – im kontinuierlichen Betrieb und mit sehr hoher Strahlenqualität.

Foto: Fraunhofer ILT

Wilhelm Meiners vom Fraunhofer ILT: „Der Laser alleine löst noch nicht alle Probleme.“

Gruppenleiter Wilhelm Meiners warnt zugleich vor Euphorie. „Der Laser alleine löst nicht alle Probleme. Kupfer ist leider sehr sauerstoffaffin. Ist der Anteil des Gases im Bauraum zu hoch, bilden sich Oxidschichten auf der Schmelze.“ Diese würden einen metallurgischen Verbund der einzelnen Schichten vereiteln und die elektrische Leitfähigkeit des Bauteils empfindlich reduzieren. „Unsere Aufgabe wird es also sein, die Atmosphäre im Bauraum penibelst zu kontrollieren und zu steuern“, so Meiners. Handelsübliche Metalldrucker seien dazu nicht in der Lage.

Ein weiteres Problem resultiert aus der Reinheit des Rohmaterials. „Es erstarrt an einem konkreten, klar definierten Temperaturpunkt. Bei Legierungen hingegen passiert dies innerhalb eines Temperaturintervalls.“ Welchen Einfluss dieses Verhalten auf die Prozessführung habe, sei noch nicht ganz klar.

Das Unternehmen Protiq behauptet, die verschiedenen Hürden überwunden zu haben. Es stellt u. a. Kupferinduktoren im Kundenauftrag her. Die Besonderheit: Mithilfe einer Simulationssoftware berechnen die Blomberger, wie das Bauteil aussehen muss, um das ideale Magnetfeld zu erzeugen. „Die resultierende Geometrie ist in der Regel völlig anders als die, die wir zurechtbiegen würden“, erklärt Geschäftsführer Ralf Gärtner. „Meist sind es bionische Formen, die sich konventionell gar nicht herstellen ließen.“

Foto: Protiq

Ralf Gärtner, Geschäftsführer von Protiq: „Ein guter Koch verrät nicht all seine Rezepte.“

Protiq hat aktuell drei Lasersintersysteme in Betrieb. Dabei handelt es sich um Standardanlagen eines großen Herstellers, die technisch modifiziert wurden. Alle sind nun in der Lage, Kupfer in Form zu bringen. Mit der Nachfrage ist Gärtner zufrieden, wähnt sein Unternehmen aber erst am Anfang eines Booms. „Der Markt ist aktuell ein schlummernder Riese. Wenn sich die Erkenntnis durchsetzt, um wie viel effektiver ein optimierter Induktor ist, wird das Geschäft spürbar anziehen.“ Darüber hinaus gäbe es zahlreiche weitere Anwendungsfelder. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer eigne sich das Material hervorragend für Kühlkörper.

Auf die Frage, wie genau das Unternehmen es geschafft hat, Kupfer selektiv zu verschmelzen, gibt sich Gärtner verschlossen. „Ein guter Koch verrät auch nicht all seine Rezepte.“ Wohl aber räumt der 44-Jährige ein, dass es sich beim verarbeiteten Material – vor dem Druckprozess – „nur“ um 99 % reines Kupfer handele. Die restlichen Bestandteile verschweigt er. Offener ist er in Bezug auf die Bauteileigenschaften: „Die Leitfähigkeit unserer Teile liegt im Randbereich bei 50 Megasiemens pro Meter. Wettbewerber erreichen lediglich rund die Hälfte.“ Zum Vergleich: Reines Kupfer hat eine Leitfähigkeit von 58 MS/m.

Zufrieden ist der CEO damit aber noch nicht. Seine Firma arbeite bereits an einer Anlagentechnik, die 100 % reines Kupfer verarbeiten kann.

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