Bauteile aus Kupferpulver eröffnen neue Möglichkeiten

Nun aber haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Verfahren so modifiziert, dass sie die technischen Probleme lösen konnten. Die neue Methode bietet große Vorteile, etwa in der Kunststoff-Verarbeitung.

Rapid Manufacturing tritt in der industriellen Fertigungstechnik gerade seinen Siegeszug an. Es handelt sich dabei um Fertigungsverfahren, die digitalisierte Konstruktionsdaten direkt und schnell in Werkstücke umsetzen können.

Im Bereich der Metalle eignet sich insbesondere das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) dazu, kompliziert geformte Bauteile herzustellen, die mit konventioneller Technik nur unter höchstem Aufwand oder gar nicht produzierbar wären. Im Rahmen des Projektes InnoSurface, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird, ist es nun einem Forscherteam am Fraunhofer ILT in Aachen erstmals gelungen, das SML-Verfahren so zu modifizieren, dass es auch für Kupferwerkstoffe geeignet ist. Dies eröffne neue Möglichkeiten beispielsweise für die Herstellung von Werkzeugen für die Kunststoff-Verarbeitung.

Beim SLM wird das Werkstück auf einer Bauplattform schichtweise aus einem pulverförmigen Werkstoff aufgebaut. Das Ganze funktioniert im Grunde wie ein Drucker in drei Dimensionen. Gemäß den computergenerierten Konstruktionsdaten des geplanten Werkstücks wird das Metallpulver schichtweise aufgetragen und anschließend mit einem Laserstrahl an den vorgegebenen Stellen zum Schmelzen gebracht. Es verbindet sich dadurch fest mit dem bereits fertigen Teil des Objekts. Materialprüfungen haben gezeigt, dass derartig erzeugte Komponenten aus Stahl oder Leichtmetall nach einer anschließenden Wärmebehandlung eine ebenso hohe Güte aufweisen wie konventionell hergestellte.

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Kupferlegierungen war es bisher jedoch nicht möglich, SLM auch auf diese Werkstoffe anzuwenden. Zwar hat Kupfer einen niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl, aber es absorbiert das Laserlicht nicht so gut, und die Wärmeabfuhr ist größer. Das führt dazu, dass die Schmelzspur abreißt und sich winzige Schmelzkugeln bilden. Diese sind deutlich höher als die Schichtdicke und stören den weiteren Verfahrensablauf. Außerdem erzeugen sie Hohlräume und verringern so die Dichte des späteren Bauteils. »Um die hohe Wärmeabfuhr und den geringen Absorptionsgrad des Kupfers während des Aufschmelzens zu kompensieren, setzen wir anstelle der zur Zeit beim SLM üblichen 200-Watt-Laser einen Laser mit 1000 Watt Leistung ein«, sagt Projektleiter David Becker. Um befriedigende Ergebnisse zu erzielen, wählte er einen Laser, der ein besonders gleichmäßiges Strahlprofil zeigt. Gleichzeitig haben Becker und sein Team die gesamte Anlage so modifiziert, dass der hohe Energieeintrag nicht zu Störungen führt: Sie haben beispielsweise die Schutzgasführung und die Mechanik geändert. »Versuche mit der Kupferlegierung Hovadur K220 zeigen bereits hervorragende Ergebnisse«, so Becker, »die Dichte der Werkstücke beträgt nahezu 100 Prozent.« Das Verfahren ist damit bereit für den industriellen Einsatz.

Gerade die große Wärmeleitfähigkeit prädestiniert Kupfer und seine Legierungen für viele Anwendungen. So sorgen Einsätze aus derartigen Materialien in Stahlwerkzeugen für den Spritzguss zur Herstellung von Kunststoffteilen für eine besonders schnelle Wärmeabfuhr an kritischen Stellen. Mit SLM ist es möglich, diese Kupfereinsätze zusätzlich mit konturnahen Kühlkanälen zu versehen, in denen ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, fließt. Durch die gleichmäßige und schnelle Abkühlung im gesamten Werkzeug werden Taktzeiten und Verzug minimiert.

Demnächst wollen die Aachener Forscher noch einen Schritt weiter gehen und nicht nur Kupferlegierungen, sondern reines Kupfer zu dichten Bauteilen verarbeiten. Dessen Wärmeleitfähigkeit ist noch einmal fast doppelt so hoch wie bei Hovadur K220. Eine neue Herausforderung!

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