Neues 3D-Verfahren für Bauteile aus reinem Kupfer

MVS Import 14. September 2017 Technik

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT will bis Ende 2017 ein neues 3D-Druckverfahren entwickeln. Dafür soll das Selective Laser Melting (SLM) von Kupferwerkstoffen optimiert werden, um eine wirtschaftliche Fertigung von Teilen aus reinem, hochleitfähigen Kupfer zu ermöglichen. Die entwickelte Laserstrahlquelle soll nicht mehr mit rotem, sondern mit grünen Licht arbeiten.

Fraunhofer Wissenschaftler des Instituts für Lasertechnik (ILT) präsentieren vom 14. bis zum 17. November 2017 eine Neuheit im Bereich Additive Manufacturing. Auf der internationalen Fachmesse für additive Fertigungstechnologien formnext in Frankfurt am Main stellen sie ein neues Verfahren zum Selective Laser Melting von Kupferwerkstoffen vor. So soll man künftig auch Bauteile aus reinem, hochleitfähigen Kupfer drucken können. Die zu diesem Zweck entwickelte Laserstrahlquelle verwendet anders als bisher kein infrarotes, sondern grünes Licht.

Grünes Licht für neues 3D-Verfahren

Das Selective Laser Melting (SLM), auch bekannt als Laserstrahlschmelzen oder Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF), ist in Branchen wie der Medizintechnik, dem Turbomaschinenbau, der Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau bereits etabliert, wenn es um die additive, pulverbettbasierte Fertigung von Bauteilen geht. Aktuell lassen sich damit in erster Linie Stähle, Titan- und Aluminiumlegierungen sowie Nickel- und Kobaltlegierungen verarbeiten. Für Endanwender sind jedoch auch Kupferlegierung und vor allem Reinkupfer von Interesse, da dieses bei der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit besser abschneidet als Legierungen.

Aus diesem Grund entwickeln die Aachener Forscher des ILT bis Ende des Jahres ein Verfahren, mit dem beim SLM auch Bauteile aus reinem Kupfer additiv gefertigt werden können. Die eigens entwickelte Laserstrahlquelle arbeitet mit grünem, statt mit dem bisher üblichen Infrarotlicht.

Neue Herangehensweise für SLM im Kupferbereich

Bisher ist es so, dass reines Kupfer die übliche Wellenlänge von ca. 1 µm je nach Oberflächeneigenschaft größtenteils reflektiert, so Daniel Heußen vom ILT. Diese reflektierte Strahlung behindere den Schmelzprozess, und könne Komponenten der Anlage beschädigen. Bei grünem Licht hingegen, das eine Wellenlänge von 515 nm hat, liegt der Absorptionsgrad von Kupfer um ein Vielfaches höher. Das bedeutet, dass ein Laser mit einer deutlich niedrigeren Ausgangsleistung ausreicht und sich der Laserstrahl schärfer bündeln lässt. So kann man filigranere und dichtere Bauteile herstellen, die zudem eine hohe Detailauflösung vorweisen.

Laboraufbau bis Ende des Jahres

Die Abteilung Strahlquellenentwicklung des ILT baut bis Ende 2017 einen ersten Laboraufbau der Anlage, mit dem dann die Prozesse weiterentwickelt werden. Ziel ist ein Laser für den sogenannten Singelmode-Betrieb, der mit einer maximalen Leistung von 400 Watt im kontinuierlichen Betrieb mit grüner Wellenlängein sehr guter Strahlqualität arbeitet. So sollen industrielle Anwender komplexe Geometrien mit Hohlstrukturen und Hinterschnitten aus Reinkupfer direkt additiv herstellen können. Infrage kommt das neue SLM-Verfahren unter anderem für hocheffiziente Wärmetauscher und Kühlkörper oder für die Kleinserienproduktion von filigranen, komplexen elektrischen Bauteilen. Aber auch die Schmuckindustrie könnte profitieren, wenn sich Bunt- und Edelmetalle effizienter und reproduzierbarer herstellen lassen.

Gefördert wird das bis 2019 laufende Forschungsprojekt von der AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. Interessenten können sich bereits im November auf der formnext, Halle 3.0, Stand F50, über das Verfahren informieren. Das ILT zeigt dort einen Modellaufbau und erste Prozessvideos.