Kupfer optimal additiv verarbeiten

Die Effektivität von Bauteilen, die Temperaturen in Prozessen regulieren sollen, hängt neben dem Material oft auch von der Geometrie des Bauteils ab. Lamellen, Kanäle und andere Komponenten müssen so angelegt sein, dass entstehende Wärme möglichst schnell abgeleitet wird. Um bei der Konstruktion ideale Ergebnisse zu erreichen, werden oft die Vorteile additiver Fertigungsverfahren genutzt. Bauteile können dadurch präzise und filigran ausgelegt werden, sodass Kühlkörper leicht, klein und trotzdem effizient gestaltet werden können.

In Zusammenarbeit mit der Active Medical Xcellence GmbH entwickelt das ifw Jena Kühlkörper für ultrakompakte Lasersysteme für die Urologie.  Hierfür sollen die konstruktiven Vorteile der additiven Fertigung mit den hervorragenden Wärmeleiteigenschaften von Kupfer kombiniert werden. 

Die additive Verarbeitung von Kupfer stellt Hersteller jedoch vor Herausforderungen. Durch seinen hohen Reflektionsgrad dringt nur ein geringer Teil der Laser-Energie in das Kupfer-Pulverbett. Für die pulverbettbasierten 3D-Druck sind also hohe Laserleistungen nötig, um ausreichend feste Bauteile zu generieren. Nur wenige Pulverbett-Anlagen bieten die nötige Laserleistung von etwa 700 Watt. 

Um Kupfer ressourcensparender und mit bereits im Unternehmen vorhandenen Anlagen additiv zu verarbeiten, untersucht das ifw Jena, wie sich Kupferpulver auch mit weniger Laserleistung aufschmelzen lässt. Dazu werden verschiedene Anlagenparameter angepasst und getestet, um Kupferproben herzustellen. Die Proben werden anschließend im Werkstoffprüflabor des Instituts auf ihre werkstofftechnischen Eigenschaften wie Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit hin untersucht. In ersten Versuchen ist es bereits gelungen, feste Kupferbauteile mit einer Laserleistung von lediglich 400 Watt herzustellen. Neben den materialogischen Eigenschaften wird auch untersucht, ob die passenden Geometrien an den Anlagen des Instituts realisierbar sind. Für das ultrakompakte Lasersystem von AMX werden kleine und filigrane Kühlkörper benötigt. Hierfür sind möglichst schmale Wandstärken nötig. Mit den ermittelten Verfahrensparametern konnten Wandstärken von etwa 0,4 mm an den Kupferproben erreicht werden.

Mit den Untersuchungen reizt das ifw Jena seine Pulverbettanlagen aus und testet deren Grenzen. Die Ergebnisse fließen dann in Simulationen der Kühlkörper ein, in denen verschiedene Geometrien auf ideale Wärmeableitung in optimiert werden. Am Ende der Zusammenarbeit stellt das ifw Jena der AMX einen speziell konstruierten Kühlkörper sowie die passenden Prozessstrategien zur industriellen Herstellen desselben zur Verfügung.

Die Untersuchungsergebnisse kommen dabei auch anderen Unternehmen zugute, die Kupfer additiv verarbeiten wollen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen werden Unternehmen in die Lage versetzt, Kupfer effizient und ressourcensparend additiv zu verarbeiten.