Rapid Manufacturing mit Kupfer

Wissenschaftler des Aachener Fraunhofer Instituts für Lasertechnik (ILT) haben ein Rapid-Manufacturing-Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Bauteile auch aus Kupfer aufzubauen. Wegen seiner Wärmeleitfähigkeit konnte das Edelmetall bisher nicht per selektivem Laserschmelzen verarbeitet werden.

Schicht für Schicht

Beim selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) wird ein Bauteil aus Metall aufgebaut: Das Metall wird in Pulverform verarbeitet: Es wird schichtweise aufgetragen, die Schichten werden dann mit einem Laser verschmolzen. Kupfer absorbiert den Laser nicht so gut wie andere Metalle und führt einen Teil der Wärme wieder ab. Dadurch reißt die Schmelzspur ab, und es entstehen Schmelzkugeln. Diese können Hohlräume erzeugen, welche wiederum die Stabilität des Bauteils beeinträchtigen. Die Verdickungen können zudem den Ablauf des Aufbaus stören. Deshalb konnten bisher keine Werkstücke aus Kupfer oder Metalle, die Kupfer enthalten, durch SLM erstellt werden.

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Das Werkstück wurde per SLM aus einer Kupferlegierung gefertigt. (Foto: Fraunhofer ILT)

Die Lösung war der Einsatz eines stärkeren Lasers, wie Projektleiter David Becker erklärt. "Um die hohe Wärmeabfuhr und den geringen Absorptionsgrad des Kupfers während des Aufschmelzens zu kompensieren, setzen wir anstelle der zurzeit beim SLM üblichen 200-Watt-Laser einen Laser mit 1.000 Watt Leistung ein." Der eingesetzte Laser verfügt zudem über ein besonders gleichmäßiges Strahlprofil, was die Ergebnisse zusätzlich verbessern soll. Allerdings reichte es nicht, einfach den Laser auszutauschen. Die Fraunhofer-Forscher mussten anschließend die Anlage anpassen, damit der deutlich stärkere Laser keine Störungen verursachte.

Als Nächstes reines Kupfer

Erste Versuche mit einer Kupferlegierung hätten zufriedenstellende Ergebnisse gezeitigt, sagt Becker. Die Dichte der Werkstücke habe nahezu 100 Prozent betragen. Im nächsten Schritt wollen die Aachener reines Kupfer mit dem modifizierten SLM-Verfahren testen. Dessen Wärmeleitfähigkeit ist fast doppelt so hoch wie die der Legierung. Becker ist jedoch optimistisch, dass das Verfahren bald bereit für den industriellen Einsatz ist.

Vorteil von SLM ist, dass sich mit diesem Verfahren Bauteile mit Formen herstellen lassen, die mit herkömmlichen Verfahren nur sehr schwer oder gar nicht gebaut werden könnten. Das Fraunhofer ILT hat gezeigt, dass per SLM hergestellte Teile hohen Belastungen standhalten und sich deshalb auch für den Flugzeugbau eignen.