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Backe, backe Kupfer... Reines Kupfer kann per Laser additiv verarbeitet werden!

Redakteur: Peter Königsreuther

Grünes Laserlicht schmilzt „rotes“ Metall! Diesen Effekt nutzt eine Trumpf-Maschine für die Additive Fertigung, die jetzt am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik steht.

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Per Grünlasersystem schaffen es die Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) additiv gefertigte Bauteile aus reinem Kupferpulver aus der Taufe zu heben...
Per Grünlasersystem schaffen es die Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) additiv gefertigte Bauteile aus reinem Kupferpulver aus der Taufe zu heben...
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Raffiniert geformte Kunststoffteile mit dem 3D-Drucker zu erzeugen ist heute keine Kunst mehr, heißt es, sondern Alltagstechnologie. Ganz anders sieht diese Sachlage aber bei reinem Kupfer aus. Denn bisher gelang es nicht, das Metall mit Infrarotlasern vollständig aufzuschmelzen, um daraus Schicht für Schicht komplexe, additiv gefertigten Bauteile zu machen.

Deshalb setzt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden nun eine neuartige additive Fertigungsanlage ein, die das Metall mit einem kurzwelligen Grünlaser fast fehlerfrei verarbeiten kann. Das System öffnet so neue Fertigungsperspektiven, die bisher mit reinem Kupfer eine Wunschvorstellung waren. Denn nun lassen sich auch komplexe Bauteile aus reinem Kupfer und Kupferlegierungen für die Raumfahrt- und Automobilindustrie umsetzen und etwa die Effizienz von Elektromotoren sowie Wärmetauschern steigern.

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Jetzt nimmt Kupfer 70 % der Laserenergie auf

Mit der Trumpf-Anlage Trulaser 1000 kann das Fraunhofer-IWS etwa Bauteile fertigen, die elektrisch und thermisch besonders leitfähig sind. Auch Anwendungen in der Spulen- und Induktorenfertigung seien denkbar. Additiv gefertigte Kupferkomponenten erlauben laut IWS den Bau von kompakten Geräten für geringe Bauraumansprüche und dennoch von hohem Wirkungsgrad und starker Leistung.

Die neue Laserstrahl-Schmelzanlage ist die Einzige in Sachsen, betonen die Forscher – auch deutschlandweit gebe es nur wenig Vergleichbares. Statt Infrarotlicht mit 1064 nm Wellenlänge (= Millionstel Millimeter) emittiert sie aber per Scheibenlaser energiereiches grünes Licht der Wellenlänge 515 nm. „Bei früheren Versuchen hat sich immer wieder gezeigt, dass infrarote Laserstrahlquellen bis 500 W Leistung nicht stark genug sind, um Kupfermaterial vollständig aufzuschmelzen“, erklärt Samira Gruber, die als wissenschaftliche Mitarbeiterin am IWS das Projekt betreut. Denn lediglich 30 % der eingesetzten Energie erreichten den Kupferwerkstoff – den großen Rest reflektiere das Metall einfach aufgrund seiner Farbe. Anders ist das beim grünen Laser mit maximal 500 W Leistung: Bei dieser Wellenlänge und Leistung absorbiert das Kupferpulver mehr als 70 % der eingestrahlten Energie, wodurch es vollständig schmilzt, so dass es problemlos für die Additive Fertigung nutzbar ist.

Jetzt profitieren auch Kupferverarbeiter von der Additiven Fertigung

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 außer in den genannten Branchen auch im Elektroniksektor und in elektrischen Antrieben oder als Wärmetauscher eine wichtige Rolle“, betont Elena Lopez, Abteilungsleiterin für die Additive Fertigung am IWS. Additiv gefertigte Kupferteile sind vielen Pendants aus Aluminium wegen ihrer höheren volumenspezifischen Leitfähigkeit überlegen. Interessant sei das überall dort, wo es auf kleine Komponenten mit hoher Leistung ankomme.

Zwar lassen sich viele Kupferteile heute schon zerspanen, schmieden oder gießen. Allerdings eröffnen sich durch den Einsatz der Additiven Fertigung designerische Möglichkeiten, um hochkomplexe Geometrien herzustellen, die mit konventioneller Fertigung bekanntermaßen nicht machbar sind, so Lopez.

Weitere Revolutionen mit dem Grünlaser sind zu erwarten...

„Die erhöhte geometrische Flexibilität liefert die Chance, die Kühlleistung von Kupferbauteilen weiter zu erhöhen, weil wir den verfügbaren Bauraum optimal ausnutzen können und so die Lebensdauer der gekühlten Bauteile verlängern“, erklärt Gruber. Dabei werden Kühlkanäle so konstruiert, dass Gase oder Flüssigkeiten möglichst druckverlustarm fließen sowie komplexe Rippengeometrien die wärmeaufnehmende Oberfläche deutlich vergrößern können.

Die Beschaffung der neuen Anlage für das Fraunhofer IWS war über das Leistungszentrum „Smart Production and Materials“ möglich. Das ist ein Verbund der Technischen Universität Chemnitz, der Technischen Universität 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 dem grünen Laser arbeitende Truprint 1000 von Trumpf gehört nun zum „Additive Manufacturing Center Dresdenu (AMCD). Dort arbeiten die IWS-Experten gemeinsam mit Kollegen der TU Dresden an weiteren bahnbrechenden Technologien für die Additive Fertigung.

(ID:46811012)