3D-printen met koper

Additive_Manufacturing_copper
Share on linkedin
Share on facebook
Share on google
Share on email

Koper wordt al duizenden jaren gebruikt voor allerlei toepassingen. Het materiaal is makkelijke te vormen (denk bijvoorbeeld aan het buigen van koperen buizen) en het is geleidbaar (koperdraad toepassingen voor het geleiden van electriciteit)

Echter het waren  juist deze eigenschappen van het materiaal om het te gebruiken als grondstof in 3D-printing materiaal. Dat probleem is echter opgelost.

De meest gebruikte techniek voor het 3D-printen met koper is Powder Bed Fusion. Deze techniek gebruikt lasers om materiaalpoeders te smelten en de poederdeeltjes aan elkaar te “lijmen”. Wanneer de temperatuur daalt, consolideert het materiaal.

De meest populaire processen van ‘Powder Bed Fusion’ zijn Selective Laser Sintering (SLS) voor kunststoffen en Selective Laser Melting (SLM) voor metalen.

 SLM is geschikt voor veel metalen, maar koper is/was daarop een uitzondering.

De geleidings-eigenschappen van het materiaal zorgen ervoor dat de warmte van de lasers wordt gereflecteerd in plaats van geabsorbeerd.
Een ander terugkerend probleem was het feit dat het geprinte deel zou barsten wanneer de temperatuur te snel en/of te laag zou dalen.

Op weg naar een oplossing: groene laser en voorverwarming

In 2018 was er een doorbraak in het onderzoek naar de oplossing van dit probleem.  Onderzoekers van het Fraunhofer-instituut in Duitsland ontwikkelden een techniek 3D-printen met koper mogelijk maakte.

Hun oplossing bestond uit het vervangen van de infraroodlaser van een SLM-machine met een groene laser.

Het licht van deze groene laser voor SLM-printers, ontwikkeld door het Duitse instituut, wordt beter geabsorbeerd door koper, wat het smelten van het materiaal vergemakkelijkt.

Echter dit op zichzelf was nog niet de hele oplossing.  Er ontstonden namelijk nog steeds scheuren als gevolg van temperatuurdalingen. De oplossing hiervoor werd gevonden in het voor-verwarmen van het koper poeder voorafgaand aan het printproces. Dit voorkwam de te snelle temperatuurdaling.

Deze techniek is het eerste echte alternatief voor 3D-printen met koper.

Deze technologie wordt toegepast in de TruPrint 5000 van machinefabrikant TRUMPF.

De machine maakt gebruik van ‘TruPrint Laser Metal Fusion’ (LMF), een groene laser en verwarmt materiaal voor op 500 °C.
De TruPrint 5000 werd gedemonstreerd op de Formnext, 3D-printbeurs in Frankfurt in november 2018.

Overigens print de machine ook met andere edelmetalen – dus niet alleen koper.

green laser

Laag koperpoeder wordt tijdens het SLM 3D-afdrukproces blootgesteld aan een groene laser. Bron: Fraunhofer ILT

Koperpoeder

Dankzij deze ontwikkelingen, heeft koper het potentieel om breed te worden toegepast in additieve productie.

Zoals gezegd: koper heeft interessante thermische eigenschappen en samen met de voordelen van 3D-printing, met name de ontwerpvrijheid, maakt het additieve productieproces gunstig voor veel thermische toepassingen.

Om te anticiperen op de vraag naar koperpoeder voor 3D printing, ontwikkelen verschillende bedrijven speciale koper- en koperlegeringspoeders voor de 3D-printmarkt, met name Heraeus, Oerlikon en Stratasys.

Heraeus

Heraeus is een Duitse technologiegroep met een focus op edele en speciale metalen, waaronder koper. Hun additive manufacturing divisie werkt aan een portfolio van edelmetalen voor 3D-printen.. De groep ontwikkelde een hooggeleidend koperpoeder met een dichtheid van 99,8% massief koper en een geleidbaarheid van ongeveer 95% IACS (International Annealed Copper Standard. Ongeveer 85% IACS is gebruikelijk in de markt.) Heraeus presenteerde zijn zeer geleidende 3D-geprinte kopercomponenten op Op de Formnext 2018..

Oerlikon

Oerlikon  met hoofdkantoor in Pfäffikon, Zwitserland is een beursgenoteerde technologiegroep. Ze zijn een fabrikant van materialen voor de ruimtevaart-, auto-, energie- en gereedschapsindustrie. De laatste jaren zijn ze begonnen met het ontwikkelen van metaalpoeders voor additieve productie bij hun dochteronderneming Oerlikon AM.

In hun portfolio bevinden zich nikkellegeringen, kobalt-chroomlegeringen en staallegeringen. CuNi2SiCr is hun thermisch uithardende koperlegering die speciaal is ontwikkeld voor AM-toepassingen.

Stratasys

Ook machine- en materiaalfabrikant Stratasys biedt koper aan als 3D-printmateriaal: Koper (C18150), een legering van chroomzirkoniumkoper (CuCr1Zr). Het materiaal is getest met ruimtevaartbedrijven.

Toepassingen

Koper is een zacht, vervormbaar en ductiel metaal. Koper is een natuurlijk metaal met een oranjerode kleur. Het heeft een zeer hoge thermische en elektrische geleidbaarheid.

Toepassingen voor koper zijn:

 

  • elektrische bedrading (koper is een geleider van warmte en elektriciteit),
  • bouwmateriaal voor dakbedekking, sanitair, decoratieve elementen en sculpturen (het Vrijheidsbeeld in New York is bijvoorbeeld gemaakt van koper). Het koper oxideert en wordt lichtgroen van kleur.
  • bestanddeel van verschillende metaallegeringen, zoals brons (een koper-tin-legering) en messing (een koper-zinklegering) en Sterling zilver (zilver-koperlegering).
  • machines en motoren.
  • maritieme toepassingen: koper is biostatisch: bacteriën of andere levende vormen groeien er niet op. Het werd gebruikt in de scheepvaart om groei op rompen te voorkomen.
  • gootstenen, kranen, deurknoppen, leuningen etc. Omdat koper biostatisch is, wordt het (in verschillende legeringen) gebruikt in apparaten die door veel mensen worden gebruikt, om verspreiding van bacteriën te voorkomen.

Conclusie

Samenvattend wordt 3D-printen met koper snel realiteit. Technische hindernissen worden overwonnen en grote bedrijven ontwikkelen koperlegeringen in afwachting van de marktvraag.

Make the switch to Additive Manufacturing

Find out how your business can benefit from AM. Beamler helps you identifying what parts you should be manufacturing with 3D printing.

Get the latest 3D printing news​

About Beamler

We help manufacturers unlock the full potential of industrial 3D printing.

Trusted by engineers in some of the largest multinationals, Beamler offers 24/7 access to the massive production capacity that only a global network of dedicated manufacturing partners can provide.