Additive Fertigung Hochleistungs-Kupferlegierungen aus dem 3D-Drucker

Anbieter zum Thema

Hochschule Osnabrück

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

Wie lassen sich Kupferwerkstoffe entwickeln, die extremen Temperaturen, hohen Belastungen und anspruchsvollen Einsatzbedingungen standhalten – und sich dennoch präzise additiv fertigen lassen? Dieser Frage ist ein Forschungsteam der Hochschule Osnabrück und RWTH Aachen nachgegangen.

Additiv gefertigte Metallbauteile werden in einem Pulverbett hergestellt. Dieses Pulver wird mit einem Laser geschmolzen. So wird Schicht für Schicht das Bauteil oder Produkt aufgebaut. Kupfer ist aufgrund seiner sehr hohen Wärmeleitfähigkeit und der starken Reflektivität allerdings nur schwer additiv zu verarbeiten. „Bei Standardanlagen werden rote Laser eingesetzt. Kupfer reflektiert hier knapp 98 Prozent des eingestrahlten Lichts“, sagt Prof. Dr.-Ing. Katrin Jahns, Professorin für Werkstofftechnik und Fertigungsverfahren für Metalle an der Hochschule Osnabrück und Projektleiterin. „Nur zwei Prozent der Energie gelangen tatsächlich in das Material – und diese wird auch noch rasch abgeführt. Ein gleichmäßiges Aufschmelzen ist so kaum möglich.“

Kupferwerkstoffe dauerhaft über 500 Grad Celsius einsetzen

Im Projekt Cu-VHCF untersuchen die Forschenden der Hochschule Osnabrück und RWTH Aachen Legierungen, die sich mit herkömmlichen Methoden wie Gießen nur schwer oder gar nicht herstellen lassen, weil sie dabei spröde Strukturen bilden. Durch die additive Fertigung könnten diese Legierungen, wie zum Beispiel Kupfer-Chrom-Niob, jedoch erfolgreich verarbeitet werden. „Kupfer-Chrom-Niob-Legierungen versprechen außergewöhnliche mechanische und thermische Eigenschaften. Durch extrem hohe Abkühlgeschwindigkeiten bei der Pulverherstellung und beim späteren 3D-Druck entstehen fein verteilte Chrom-2-Niob-Partikel (Dispersoide), die das Material deutlich fester machen und eine schützende Oxidschicht begünstigen. Damit könnten diese Legierungen die einzigen Kupferwerkstoffe sein, die dauerhaft bei Temperaturen über 500 Grad Celsius eingesetzt werden können“, so die Professorin. Auch die Kriecheigenschaften verbessern sich. Kriechen bezeichnet dauerhafte Verformung eines Materials, wenn es über längere Zeit unter hoher Temperatur oder hoher Belastung steht. Das ist besonders relevant bei Werkstoffen in Flugzeugtriebwerken, Hochspannungsanlagen oder anderen beanspruchten Bauteilen.

Buchtipp: Additive Fertigung

Das Buch "Additive Fertigung" beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie und unterstützt Konstrukteure und Entwickler dabei, additive Verfahren erfolgreich in ihren Unternehmen zu implementieren. 


 

Mehr erfahren bei Vogel Fachbuch

Das Forschungsteam bildet im Projekt die gesamte Prozesskette der additiven Fertigung ab: Die RWTH Aachen berechnet mittels Simulation, welche Phasen sich bei bestimmten Zusammensetzungen und Temperaturen bilden. „Mit dem digitalen Zwilling können wir uns aufwändige Vorversuche ersparen und sehr viel zielgerichteter die Werkstoffchemie und Prozessparameter der neuen Kupferlegierungen anpassen“, so Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen. Die Hochschule Osnabrück stellt darauf basierend das benötigte Metallpulver her, bereitet es auf und fertigt Bauteile im industriellen 3D-Drucker. Abschließend werden die fertigen Komponenten hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften analysiert.
Ziel des Projekts ist es, so die Grundlagen für eine spätere industrielle Nutzung dieser Hochleistungs-Kupferlegierungen zu schaffen – etwa für Raketentriebwerke, Hochspannungsleitungen, Wärmeübertrager oder andere Anwendungen, in denen hohe Temperaturen und dauerhafte Belastungen auftreten.