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Additive Fertigung Kupferteile in wenigen Minuten fertigen

| Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Aufgrund technischer Herausforderungen war Kupfer für den 3D-Druck bisher nur wenig geeignet. Die Entwicklung eines neuen Verfahrens könnte dies nun ändern.

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Anstatt Hitze zum Schmelzen von Metallpulvern einzusetzen, nutzt die SP3D-Technologie der Firma Spee3d die Ultraschallabscheidung von Metallpartikeln.
Anstatt Hitze zum Schmelzen von Metallpulvern einzusetzen, nutzt die SP3D-Technologie der Firma Spee3d die Ultraschallabscheidung von Metallpartikeln.
(Bild: D.Quitter/konstruktionspraxis)

Von der ursprünglichen Nutzung für Münzen und Ornamente bis heute in der Herstellung von Elektronikprodukten – Kupfer bleibt ein beliebtes Material, da es nicht nur lange haltbar ist und eine korrosionsfreie Beschaffenheit aufweist. Es ist außerdem einer der besten Stromleiter, weshalb es das Herzstück der meisten elektrischen Leitungen in Gebäuden sowie der Wicklungen in Elektromotoren bildet. Weniger bekannt sind die antimikrobiellen Eigenschaften, die vor Insekten und Viren schützen, was Kupfer auch für den medizinischen Gebrauch qualifiziert.

Trotz der beschriebenen Anwendungsvielfalt konnte sich Kupfer in einem immer wichtiger werdenden Bereich bisher nicht durchsetzen: Dem 3D-Druck. Dies liegt an der Vorgehensweise der üblichen 3D-Druckverfahren durch Laserschweißen. Bei diesem Verfahren wird Metallpulver unter computergesteuerter Führung zusammengeschmolzen.

Neue Technologien für Kupfer nötig

Für Kupfer gestaltet sich dieser Prozess jedoch schwierig. Das hohe Reflexionsvermögen beim Auftreffen auf herkömmliche Infrarot-Faserlaser verhindert die Absorption von Energie und dadurch den Schmelzvorgang. Darüber hinaus leitet die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer die Wärme aus dem letzten Schmelzbad ab und reduziert so die Effektivität des Prozesses. Zwar gibt es bereits Verfahren, die Kupfer verarbeiten können, allerdings sind diese noch sehr kostenintensiv und daher nicht weit verbreitet. Dazu gehören das Elektronenstrahlschmelzen oder das grüne Laserstrahlschmelzen, die vom Fraunhofer Institut entwickelt wurden.

Ultraschallabscheidung von Partikeln

Ein Verfahren, das für die additive Fertigung von Kupferteilen nicht auf thermisches Schweißen setzt, ist die Supersonic-3D-Deposition-(SP3D)-Technologie der Firma Spee3d aus Australien. Der Druckprozess erfolgt hier durch eine Raketendüse, die die Partikel auf die dreifache Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf ein Trägermaterial anbringt, das an einem sechsachsigen Roboterarm hängt. Dabei bewirkt die kinetische Energie der Teilchen, dass die Metalle sich zu einem äußerst dichten Gegenstand verschmelzen. Dessen metallurgische Eigenschaften liegen bei ca. 80 – 95 % des Vollmaterials. Der Auftrag der 25 – 35 µm großen Metallpartikel erfolgt in einer annährend schichtweisen Ablagerung in der Reihenfolge, wie das Druckprogramm es als ideal erachtet. Die Geschwindigkeit beträgt dabei 20 –100 g/min. So konnte bei einem jüngsten Vergleich ein Schwungrad, welches mit herkömmlichen Verfahren etwa 20 h brauchen würde, in nur 12 min hergestellt werden.

Konstruktive Besonderheiten

Konstruktionseinschränkungen bestehen bei den Wand- dicken, die eine Mindeststärke von 6 mm aufweisen müssen. Zudem lassen sich dünne Bohrungen und Hohlräume nur schwer vom Drucker umsetzen, weshalb eine maschinelle Nachbearbeitung oft günstiger und schneller umsetzbar ist. Wie andere additive Verfahren, erlaubt auch SP3D Schrägen von bis zu 45° ohne den Einsatz von Stützmaterial.

Die CAD-Datenübergabe (STL oder Step) erfolgt per Einlesung in das Druck-Programm und der anschließenden Umrechnung auf den Druckprozess. Nebenbei simuliert das Programm das zu druckende Element, damit man mit fast 100-%-iger Genauigkeit erkennt, wie das fertige Stück am Ende aussieht.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig, da sich Kupfer gut mit Aluminium und anderen Materialien verbinden lässt. Dadurch eignet es sich für ein breit gefächertes Einsatzspektrum wie dem Automobilbereich, wo es von Motorteilen bis zu Hochleistungskühlkörpern für elektrische und autonome Fahrzeuge verwendbar ist. (qui)

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