3D-Printing-Spezialist FKM optimiert Fertigung von Kupfer-Bauteilen

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Starker Laser für rotes Pulver

Nicht zuletzt der Nachfrage-Boom aus der Elektromobilität verleiht der wirtschaftlichen Herstellung von Prototypen und Kleinserienteilen aus Kupferwerkstoffen wachsende Bedeutung. Auch Verfahren des Additive Manufacturing rücken zunehmend ins Blickfeld der Produktentwickler. Für Kunden in der Elektro- und Energietechnik realisiert FKM derzeit Kupferbauteile mit zum Teil komplexen Geometrien.

Typische Kupferbauteile, die FKM im Lasersintern fertigt, sind etwa Wärmetauscher-Komponenten, Antennen, Ventile und Stecker. © FKM Sintertechnik

Die additive Fertigung von Bauteilen aus Metallen wie Aluminium oder Edelstahl gehört schon seit vielen Jahren zum Kompetenzspektrum von FKM. Aktuell beliefert das deutsche Unternehmen damit Kunden in der automobilen Leistungselektronik, im Werkzeugmaschinenbau und in der Temperiertechnik. Nachdem es zunächst – unter anderem in seiner Rolle als Entwicklungspartner des Anlagenbauers EOS – die Qualitätssicherung gesinterter Bauteile aus verschiedenen Kupferwerkstoffen mit vorangetrieben hat, bietet es inzwischen auch deren additive Verarbeitung zu Prototypen und einbaufertigen Serienteilen an.

„Den Fokus legen wir dabei primär auf die Kupferbasis-Legierung CuNi2SiCr und Reinkupfer CuCP. Für das 3D-Printing von Formteilen aus diesen Edelmetallen haben wir in unserer Lasersinter-Fabrik in Biedenkopf eine optimale Produktionsumgebung geschaffen“, sagt Chefingenieur Luis Catarino. Zu den Kunden, die FKM derzeit mit Bauteilen aus diesen Kupferwerkstoffen beliefert, gehören beispielsweise Produzenten von Wärmetauschern, Induktoren, Antennen, Ventilen und Steckern sowie auch Hersteller von Komponenten für die Schweißtechnik oder den Elektromotorenbau. Grundsätzlich sind sowohl Reinkupfer als auch Kupferlegierungen ideale Werkstofflösungen für lasergesinterte Bauteile, die sich in der Praxis durch eine gute bis sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit bewähren müssen.

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Diesen Induktor für den Einsatz in der Schweißtechnik fertigt FKM in Serie aus Reinkupfer in einer speziellen Verfahrensvariante des Lasersinterns. © FKM Sintertechnik

Durchbruch dank Power-Laser

Der Verarbeitung im Lasersintern stand diese hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit des Edelmetalls allerdings lange Zeit im Wege. Denn sie bewirkte, dass die induzierte Laserleistung konventioneller Laserschmelzanlagen viel zu schnell in das umliegende Pulver „abfloss“, so dass sie für das kontrollierte Aufschmelzen nicht mehr genutzt werden konnte. „Erst durch den Einsatz hochenergetischer Laser und dank der Entwicklung neuer CuCP-Pulver ist es mittlerweile möglich, hochwertige Reinkupfer-Bauteile direkt und wirtschaftlich zu sintern“, erläutert Luis Catarino. Dabei steht das Attribut hochwertig hier vor allem für komplexe Geometrien und eine gute Maßhaltigkeit von plus/minus 0,2 Millimeter.

Ein unmittelbar der FKM-Lasersinteranlage entschlüpftes Bauteil aus Reinkupfer zeigt eine Dehngrenze Rp0,2 von 150 Newton pro Quadratmillimeter, eine Zugfestigkeit von 230 Newton pro Quadratmillimeter und eine Bruchdehnung von etwa 40 Prozent. Durch eine anschließende Wärmebehandlung können diese mechanischen Werte noch optimiert beziehungsweise variiert werden. Ähnliches gilt für die thermischen und elektrischen Parameter der gesinterten Reinkupferteile – konkret also für ihre Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Die maximal realisierbaren Dimensionen, die FKM derzeit für Bauteile aus Reinkupfer anbieten kann, liegen bei 250mal 250 mal 310 Millimeter. Zu den besonderen Kompetenzen des Unternehmens gehört es, dass es auch weitaus größere Werkstücke aus mehreren Komponenten zusammensetzen kann.

Alternative für hohe Belastungen

Luis Catarino: „Durch den Einsatz hochenergetischer Laser und dank der Entwicklung neuer CuCP-Pulver ist es mittlerweile möglich, hochwertige Reinkupfer-Bauteile direkt und wirtschaftlich zu sintern.“ © FKM Sintertechnik

Als sinterfähige Werkstoffalternative für mechanisch hoch beanspruchte Kupferbauteile, für die weder Reinkupfer noch anderen Kupferlegierungen infrage kommen, bietet FKM die berylliumfreie und temperfähige Legierung CuNi2SiCr an. Bauteile aus dieser Kupfer-Nickel-Legierung behalten ihre Festigkeit auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen. Laut Luis Catarino ist „gerade dieser Werkstoff prädestiniert für die additive Fertigung von Bauteilen in elektromechanischen Anwendungen, insbesondere wenn der Bereich der Kupfer-Hochtemperatur zu bedienen ist.“

Großes Potenzial für kleine Serien

Bei FKM sieht man in der additiven Fertigung von Kupferbauteilen großes Wachstumspotenzial – vor allem für die schnelle und kostengünstige Herstellung kleiner und mittlerer Serien von thermischen und elektrischen Leitern wie Wärmetauschern, Kühlkörpern und Elektronikbauteilen. Darüber hinaus gehören auch Zylinderköpfe, Motoreneinsätze für Hochleistungsantriebe im Motorsport sowie Bauteile für die Luft- und Raumfahrt zu den bevorzugten Einsatzgebieten des Lasersinterns von Kupfer. „Da wir die Planung, Konstruktion und Fertigung beherrschen, erweist sich unser SLM-fähiges Kupfer immer wieder als echte Allzwecklösung für zahlreiche Anwendungsfälle. Grundsätzlich können wir damit sehr komplexe Geometrien mit innenliegenden Hohlräumen und Kanalsystemen in einem Arbeitsgang und in hervorragender Qualität realisieren“, sagt Luis Catarino.

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