Forscher des Fraunhofer IMWS und der Kupferhalbzeughersteller KME arbeiten gemeinsam am Projekt „Technologie- und Materialentwicklung zur additiven Fertigung komplexer hochwärmeleitfähiger Cu-Bauteile – CuAdd“. Dort untersuchen sie den 3D-Druck mit Kupfer. Wenn ihre Arbeit erfolgreich ist, könnten sie aufwendige und kostenintensive konventionelle Technologien ablösen.

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Der Kupferhalbzeughersteller KME und das Fraunhofer IMWS – Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen haben in einem Projekt den Einsatz additiver Fertigungstechnologien für hochwärmeleitfähige Bauteile aus Kupfer und Kupferlegierungen untersucht. Damit sollen laut einer Pressemitteilung des IMWS neue Marktsegmente im Bereich der Kühlelemente für die Leistungselektronik erschlossen werden. UCLA-Forscher haben im Mai ein 5 x schnelleres Verfahren zum 3D-Druck elektronischer Komponenten vorgestellt.

Kupfer als Werkstoff

Die Partner setzen im Gemeinschaftsprojekt „Technologie- und Materialentwicklung zur additiven Fertigung komplexer hochwärmeleitfähiger Cu-Bauteile – CuAdd“ auf Kupfer und dessen Legierungen. Zwar übertrifft Silber die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, das Material ist aber zu teuer, um häufiger eingesetzt zu werden.

Die Projektpartner untersuchen und bewerten Verfahren wie Fused Deposition Modeling (FDM), Binder Jetting (BJ), Nano Particle Jetting (NPJ) und Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF) für die additive Fertigung metallischer Bauteile. Beim LPBF werden die Bauteile jeweils schichtweise generiert. Der 3D-Druck erfolgt mit Kupfer oder Kupferlegierungen. Die Forscher untersuchen außerdem die weitere Verarbeitung bei der prozessabhängigen Materialzuführung und der Verarbeitungstemperatur.

3D-gedruckter Kühlkörper aus Kupfer
Ist das Projektteam erfolgreich, könnten aufwendige und kostenintensive konventionelle Technologien abgelöst werden (Bild © KME Germany).

Die Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF)

Das LPBF-Verfahren erwies sich bisher als am vielversprechendsten für die additive Prototypen-Fertigung metallischer Bauteile. Beim LPBF-Verfahren wird das Material in dünnen Pulverformschichten auf einer Grundplatte aufgetragen und anschließend mit genauer Laserstrahlung bei über 1000 ° Celsius vollständig geschmolzen, wodurch eine feste Materialschicht entsteht. Der Vorgang wiederholt sich, bis das Objekt fertig gedruckt ist.

Bei der Bewertung des Pulvergemisches spielen Faktoren wie die Partikelgröße, Fließfähigkeit und Porosität eine bedeutende Rolle, wenn die gewünschten Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit oder auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Bauteile erreicht werden sollen, erklärt Dr. Olaf Schwedler, Leiter Prozessentwicklung am Standort der KME in Hettstedt.

3D-gedrucktes Kupferobjekt
Das LPBF-Verfahren erwies sich bisher als am vielversprechendsten für die additive Prototypen-Fertigung metallischer Bauteile (Bild © KME Germany).

Getestet wurden die Kupfersorten Cu-ETP, Cu-OFE bzw. Cu-HCP und die Kupferlegierungen CuCrZr und CuNi2SiCr. Dabei haben die Forscher auch die Kompatibilität unterschiedlicher Polymersysteme wie PLA (Polymilchsäuren) und PA (Polyamide) mit Kupfersystemen überprüft. Projektleiterin Sandy Klengel erklärt, dass ein Prototyp mit geometrisch komplexer Struktur mittels additiver Herstellungsverfahren geplant ist, der beispielsweise als Hochleistungskühlkörper eingesetzt werden kann. Wenn das gelingt, könnten aufwendige und kostenintensive konventionelle Technologien abgelöst werden.

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