3D-Druck mit Kupfer

3D printing copper

Traditionell ist Kupfer aufgrund seiner thermischen und elektrischen Leitfähigkeit ein sehr beliebtes Material. Die jüngsten Entwicklungen haben neue Möglichkeiten in der additiven Fertigung eröffnet.

Kupfer ist aufgrund seiner Leitfähigkeitseigenschaften und seiner hohen Formbarkeit ein äußerst interessantes Material.

Dieselben Eigenschaften behinderten den Erfolg als praktikable Option für den 3D-Druck. Das hat sich jedoch geändert.

Die gebräuchlichste Technik für den 3D-Druck von Kupfer ist die Pulverbettfusion. Diese verwendet elektronische Strahlen, um Materialpulver zu schmelzen und das Material zu „kleben“. Wenn die Temperatur sinkt, verfestigt sich das Material zusammen.

Die beliebtesten Verfahren der Pulverbettfusion sind das selektive Lasersintern (SLS) für Kunststoffe und das selektive Laserschmelzen (SLM) für Metalle.

Obwohl SLM für viele Metalle ein ausgezeichnetes Druckverfahren ist, gab es beim 3D-Druck mit Kupfer eine besondere Herausforderung.

Die Leitfähigkeitseigenschaften des Materials bewirken, dass die Wärme der elektronischen Strahlen reflektiert anstatt absorbiert wird.

Ein weiteres wiederkehrendes Problem war die Tatsache, dass das gedruckte Teil reißen würde, wenn die Temperatur zu schnell und / oder zu niedrig fallen würde.

Auf dem Weg zu einer Lösung: grüner Laser und Vorheizen

Im vergangenen Jahr haben sich Forscher des Fraunhofer-Instituts in Deutschland dem Status Quo widersetzt und eine Technik entwickelt, die den 3D-Druck hochwertiger Kupferteile ermöglicht.

Ihre Lösung bestand darin, den Infrarotlaser von einer SLM-Maschine gegen einen grünen Laser auszutauschen. Es klingt einfach, oder?

Es ist etwas komplexer. Eine schnelle Suche auf Wikipedia lehrt uns, dass Laser ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission ist. Kurz gesagt, Laser sind Lichtquellen, die durch ihre Wellenlänge im Vakuum gekennzeichnet sind. Jeder Lasertyp projiziert einen konzentrierten Strahl, der mit stimulierter Strahlung verstärkt wird.

Das vom deutschen Institut entwickelte Licht dieses grünen Lasers für SLM-Drucker wird besser von Kupfer absorbiert, was das Schmelzen des Materials erleichtert.

Das Problem der Rissbildung aufgrund von Temperaturabfällen war jedoch weiterhin vorhanden. Die Lösung bestand darin, das Material vor Beginn des Druckvorgangs vorzuwärmen, was ausreicht, um einen großen Temperaturabfall zu vermeiden.

Diese Technik ist die erste echte Alternative für den Kupfer-3D-Druck und bietet Herstellern eine fantastische Gelegenheit.

Der Maschinenhersteller TRUMPF hat diese Technologien in seiner neuen Maschine, dem TruPrint 5000, angewendet.

Die Maschine verwendet TruPrint Laser Metal Fusion (LMF), einen grünen Laser, und heizt das Material auf 500 ° C vor.

Der TruPrint 5000 wurde auf der 3D-Druckmesse Formnext im November 2018 in Frankfurt vorgeführt.

Die Maschine druckt auch mit anderen Edelmetallen – nicht nur Kupfer.

green laser

Die pulverförmige Kupferschicht wird während des SLM-3D-Druckprozesses einem grünen Laser ausgesetzt. Quelle: Fraunhofer ILT

Kupferpulver

Wenn die Herausforderungen beim Drucken mit Kupfer tatsächlich überwunden werden, hat Kupfer das Potenzial, in der additiven Fertigung weit verbreitet zu sein.

Wie bereits erwähnt: Kupfer hat interessante thermische Eigenschaften und macht zusammen mit den Vorteilen von AM, insbesondere der Konstruktionsfreiheit, den additiven Herstellungsprozess für viele thermische Anwendungen vorteilhaft.

Um die Nachfrage nach Kupfer in AM zu antizipieren, entwickeln verschiedene Unternehmen spezielle Kupfer- und Kupferlegierungspulver für den 3D-Druckmarkt, insbesondere Heraeus, Oerlikon und Stratasys.

Heraeus

Heraeus ist ein deutscher Technologiekonzern mit Schwerpunkt auf Edel- und Spezialmetallen, darunter Kupfer. Die Abteilung für additive Fertigung arbeitet an einem Portfolio von Edelmetallen für den 3D-Druck.

Die Gruppe entwickelte ein hochleitfähiges Kupferpulver mit einer Dichte von 99,8 Prozent festem Kupfer und einer Leitfähigkeit von etwa 95 Prozent IACS (International Annealed Copper Standard. Rund 85 Prozent IACS sind auf dem Markt üblich.)

Heraeus präsentierte seine hochleitfähigen 3D-gedruckten Kupferkomponenten auf der Formnext 2018.

Oerlikon

Oerlikon ist ein börsennotierter Technologiekonzern mit Hauptsitz in Pfäffikon, Schweiz. Das Unternehmen ist Hersteller von Materialien für die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Energie- und Werkzeugindustrie. In den letzten Jahren haben sie bei ihrer Tochtergesellschaft Oerlikon AM mit der Entwicklung von Metallpulvern für die additive Fertigung begonnen. In ihrem Materialportfolio befinden sich Nickellegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen und Stahllegierungen. CuNi2SiCr ist eine thermisch härtbare Kupferlegierung, die speziell für AM-Anwendungen entwickelt wurde.

Stratasys

Der Maschinen- und Materialhersteller Stratasys bietet Kupfer auch als 3D-Druckmaterial an: Kupfer (C18150), eine Chrom-Zirkonium-Kupfer-Legierung (CuCr1Zr).
Das Material wurde mit Luft- und Raumfahrtunternehmen getestet.

Anwendungen

Kupfer ist ein weiches, formbares und duktiles Metall. Kupfer ist ein einheimisches Metall mit einer orangeroten Farbe. Es hat eine sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Anwendungen für Kupfer sind:

  • elektrische Verkabelung (Kupfer ist ein Wärme- und Stromleiter,
  • Baumaterial für Dächer, Klempnerarbeiten, dekorative Elemente und Skulpturen (zum Beispiel besteht die Freiheitsstatue aus Kupfer). Das Kupfer oxidiert und färbt sich hellgrün.
  • Bestandteil verschiedener Metalllegierungen wie Bronze (eine Kupfer-Zinn-Legierung) und Messing (eine Kupfer-Zink-Legierung) und Sterling Silber (Silber-Kupfer-Legierung)
  • Maschinen und Motoren
  • Meeresanwendungen: Kupfer ist biostatisch, Bakterien oder andere lebende Formen wachsen nicht darauf. Es wurde in der Schifffahrt eingesetzt, um das Wachstum auf Rümpfen zu verhindern.
  • Waschbecken, Wasserhähne, Türklinken, Handläufe usw. Da Kupfer biostatisch ist, wird es (in verschiedenen Legierungen) in Geräten verwendet, die von vielen Menschen gehandhabt werden, um die Ausbreitung von Bakterien zu vermeiden.

Fazit

Zusammenfassend wird der 3D-Druck mit Kupfer schnell Realität. Technische Hürden werden überwunden, und große Unternehmen entwickeln Kupferlegierungen in Erwartung der Marktnachfrage.

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