Metallfertigung Modernisierung der LPBF-Technologie von Kupfer

Von Martijn Vanloffelt*

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

Auf dem DMP Flex 350 von 3D Systems unter Verwendung von GrCoP42 hergestellter Brennkammer-Demonstrator.
Auf dem DMP Flex 350 von 3D Systems unter Verwendung von GrCoP42 hergestellter Brennkammer-Demonstrator.
(Bild: 3D Systems)

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.

Kupfer als leistungsfähiges Material

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.

Anwendungen

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).
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.

Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen

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.

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.

Optimierte Wärmebehandlung

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.

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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.

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