Forschung & Entwicklung

Laserschmelzanlage für komplexe Kupferbauteile

Eine neue additive Fertigungsanlage, basierend auf einem grünen Laser, kann komplexe Bauteile aus reinem Kupfer und Kupferlegierungen für die Raumfahrt- und Automobilindustrie fertigen.

Damit kann das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden nun Reinkupferbauteile aufbauen, die elektrisch und thermisch besonders leitfähig sind. Solche Komponenten ermöglichen effizientere Elektromotoren und neue Kühlkörper in der Leistungselektronik. Auch Anwendungen in der Spulen- und Induktorenfertigung sind denkbar. Additiv gefertigte Kupferkomponenten eignen sich für kompakte Geräte mit geringem Bauraum, hohem Wirkungsgrad und starker Leistung. Damit lassen sich beispielsweise effizientere und kompaktere Kühlkörper für die Leistungselektronik von übermorgen herstellen sowie spezielle individuelle Spulen für elektrische Antriebe in Satelliten, Kühlungen in Raumfahrtantrieben und vieles mehr.

Statt Infrarotlicht mit 1064 nm Wellenlänge verwendet die neue Laserstrahlschmelzanlage einen Scheibenlaser mit energiereichem grünem Licht der Wellenlänge 515 Nanometer. „Bei früheren Versuchen hat sich immer wieder gezeigt, dass infrarote Laserstrahlquellen bis 500 Watt nicht leistungsstark genug sind, um Kupfer vollständig aufzuschmelzen“, erklärt Samira Gruber vom Fraunhofer IWS. Denn lediglich 30 % der eingesetzten Energie erreichen den Kupferwerkstoff – den großen Rest reflektiert das Metall. Anders beim neuen grünen Laser mit maximal 500 Watt: Hier absorbiert das Kupferpulver mehr als 70 % der eingesetzten Energie und schmilzt vollständig, sodass es dann für die additive Fertigung einsetzbar ist.

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 beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronikbranche und im Automobilbau in elektrischen Antrieben oder als Wärmetauscher eine wichtige Rolle. Additiv gefertigte Kupferteile sind vielen Aluminiumlösungen durch eine höhere volumenspezifische Leitfähigkeit überlegen. Interessant ist das überall dort, wo es auf kleine Bauweisen und hohe Leistung ankommt.

Zwar lassen sich viele Kupferteile heute schon zerspanen, schmieden oder gießen. Allerdings eröffnen sich durch den Einsatz additiver Fertigung Möglichkeiten, hochkomplexe Geometrien herzustellen, die mit konventioneller Fertigung nicht möglich sind.

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

Die Beschaffung der neuen Anlage für das Fraunhofer IWS war über das Leistungszentrum ‚Smart Production and Materials‘ möglich. Dies 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 einem grünen Laser ausgestattete ‚TruPrint1000‘ gehört nun zum ‚Additive Manufacturing Center Dresden‘ (AMCD). In diesem Zentrum arbeiten die IWS-Experten gemeinsam mit Kollegen der TU Dresden an weiteren Technologien für die additive Produktion.

von mn

www.iws.fraunhofer.de

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