Raffiniert geformte Kunststoffteile mit dem 3D-Drucker zu erzeugen, ist heute Alltagstechnologie. Ganz anders bei reinem Kupfer: Bisher gelang es nicht, das Metall mit Infrarotlasern vollständig aufzuschmelzen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden setzt nun eine neuartige additive Fertigungsanlage ein, die das Metall mit einem kurzwelligen grünen Laser nahezu defektfrei verarbeitet. Damit lassen sich komplexe Bauteile aus reinem Kupfer und Kupferlegierungen für die Automobil- und Raumfahrtindustrie umsetzen.
Das Fraunhofer IWS kann nunmehr Reinkupferbauteile aufbauen, die elektrisch und thermisch besonders leitfähig sind. Solche Komponenten ermöglichen effizientere Elektromotoren und neue Kühlkörper in der Leistungselektronik. Auch Anwendungen in der Spulen- und Induktorenfertigung sind denkbar.
Kaum vergleichbare Anlagen an anderen Einrichtungen
Die neue Laserstrahlschmelzanlage ist einzigartig in Sachsen – auch deutschlandweit gibt es nur wenig Vergleichbares. Statt Infrarotlicht mit 1064 Nanometer (Millionstel Millimeter) Wellenlänge verwendet sie einen Scheibenlaser mit energiereichem grünem Licht der Wellenlänge 515 Nanometer. „Bei früheren Versuchen hat sich immer wieder gezeigt, dass infrarote Laserstrahlquellen bis 500 Watt nicht leistungsstark genug sind, um Kupfer vollständig aufzuschmelzen“, erklärt Samira Gruber, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IWS das Projekt betreut. Denn lediglich 30 Prozent der eingesetzten Energie erreichen den Kupferwerkstoff – den großen Rest reflektiert das Metall. Anders beim neuen grünen Laser mit maximal 500 Watt: Hier absorbiert das Kupferpulver mehr als 70 Prozent der eingesetzten Energie und schmilzt vollständig, so dass es dann für die additive Fertigung einsetzbar ist.
Reines Kupfer leitet Wärme und Strom besonders gut
Weil Kupfer Wärme und Strom sehr gut leitet, ist es ein großer Fortschritt, wenn sich dieses Metall auch in additiven Fertigungsanlagen verarbeiten lässt. „Bauteile aus reinem Kupfer und Kupferlegierungen spielen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronikbranche und im Automobilbau in elektrischen Antrieben oder als Wärmetauscher eine wichtige Rolle“, betont Elena Lopez, Abteilungsleiterin für die Additive Fertigung am Fraunhofer IWS. „Additiv gefertigte Kupferteile sind vielen Aluminium-Lösungen durch eine höhere volumenspezifische Leitfähigkeit überlegen. Interessant ist das überall dort, wo es auf kleine Bauweisen und hohe Leistung ankommt.“ Zwar lassen sich viele Kupferteile heute schon zerspanen, schmieden oder gießen. Allerdings eröffnen sich durch den Einsatz additiver Fertigung Möglichkeiten, hochkomplexe Geometrien herzustellen, die mit konventioneller Fertigung nicht möglich sind.
Mehr Leistung durch kompaktes und effizientes Design
„Die erhöhte geometrische Flexibilität eröffnet nun die Chance, die Kühlleistung von Kupferbauteilen weiter zu erhöhen, indem wir den verfügbaren Bauraum optimal ausnutzen und damit die Lebensdauer der gekühlten Bauteile verlängern“, sagt Samira Gruber. Dabei werden Kühlkanäle so konstruiert, dass Gase oder Flüssigkeiten möglichst druckverlustarm fließen können und komplexe Rippengeometrien die wärmeaufnehmende Oberfläche vergrößern.
Additive Fertigung: Forscher ziehen in Sachsen an einem Strang
Die Beschaffung der neuen Anlage für das Fraunhofer IWS war über das Leistungszentrum „Smart Production and Materials“ möglich. Dies ist ein Verbund der TU Chemnitz, der TU Dresden sowie der Fraunhofer-Institute IWS, ENAS, IWU und IKTS, die alle an innovativen Fertigungstechnologien und Materialien für die Industrie 4.0 forschen. Die mit einem grünen Laser ausgestattete „TruPrint1000“ gehört nun zum „Additive Manufacturing Center Dresden“ (AMCD). In diesem Zentrum arbeiten die IWS-Experten gemeinsam mit Kollegen der TU Dresden an weiteren bahnbrechenden Technologien für die additive Produktion.
