Hochwärmeleitfähige Kupfer-Bauteile als Hochleistungskühlkörper aus dem 3D-Drucker
Kürzere Prozessschritte, schnellere Produktionszeiten, kurzfristige Änderungen, geringerer Materialverbrauch, erhöhte Funktionalität und dadurch verringerte Kosten: Additive Fertigungsverfahren erschließen immer mehr Anwendungsgebiete und werden zunehmend relevanter für die Industrie. Gemeinsam mit dem Kupferhalbzeughersteller KME möchte das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in einem neuen Projekt den Einsatz von additiven Fertigungstechnologien für hochwärmeleitfähige Bauteile aus Kupfer und Kupferlegierungen erforschen. Dadurch sollen neue Marktsegmente im Bereich der Kühlelemente für die Leistungselektronik erschlossen werden.
Kupfer ist ein Werkstoff mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird. Da Silber als Werkstoff aufgrund seines hohen Preises nur für einzelne Spezialfälle zur Anwendung kommt, setzen die Projektpartner im Gemeinschaftsprojekt »Technologie- und Materialentwicklung zur additiven Fertigung komplexer hochwärmeleitfähiger Cu-Bauteile - CuAdd« auf Kupfer und dessen Legierungen. Die Erforschung additiver Fertigungsmethoden mit Kupfer ist ein Markt mit Zukunftsperspektiven.
Im Projekt werden Verfahren der additiven Fertigung für metallische Bauteile bewertet, darunter Fused Deposition Modeling (FDM), Binder Jetting (BJ), Nano Particle Jetting (NPJ) und Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF). Bei diesen Technologien werden die Bauteile schichtweise generiert. Als Ausgangsmaterialien kommen dabei Kupfer- beziehungsweise Kupferlegierungen zum Einsatz, die als reines Pulver oder gebunden in Filamenten vorliegen. Unterschiede bei der weiteren Verarbeitung bestehen bei der prozessabhängigen Materialzuführung und bei der Verarbeitungstemperatur.
Das favorisierte Verfahren der Forschenden ist das Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF), da es bisher das erfolgreichste additive Fertigungsverfahren zur Prototypen-Fertigung metallischer Bauteile darstellt. Hier wird das Material in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird definiert mittels Laserstrahlung bei Temperaturen über 1000 ° Celsius vollständig umgeschmolzen und bildet eine feste Materialschicht. Danach wird die Platte abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen und das Bauteil fertig ausgebildet ist.
»Neben der Erforschung und Bewertung des am besten geeigneten Verfahrens für hochwärmeleitfähige Kupfer-Bauteile werden wir außerdem prüfen, welches Pulver beziehungsweise Pulvergemisch in seinen Bestandteilen für welche Anwendung geeignet ist. Dabei 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.
Im Gemeinschaftsprojekt werden die Kupfersorten Cu-ETP, Cu-OFE bzw. Cu-HCP und die Kupferlegierungen CuCrZr und CuNi2SiCr getestet, wobei gleichzeitig die Kompatibilität unterschiedlicher Polymersysteme wie PLA (Polymilchsäuren) und PA (Polyamide) mit Kupfersystemen geprüft wird.
»Als Ergebnis wollen wir einen Prototyp mit geometrisch komplexer Struktur mittels additiver Herstellungsverfahren fertigen, der beispielsweise als Hochleistungskühlkörper eingesetzt werden kann. Bei erfolgreicher Durchführung könnten somit Schritt für Schritt aufwendige und kostenintensive konventionelle Technologien abgelöst werden. Die industriellen Kompetenzen von KME zur Kupferherstellung kombinieren wir mit den Kompetenzen der angewandten Mikrostrukturaufklärung und ermöglichen dadurch einen schnellen Aufbau von Expertenwissen im Bereich der Kupferpulverherstellung für den 3D-Druck«, sagt Sandy Klengel, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS.
Über das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Die zentrale Herausforderung der Menschheit im 21. Jahrhundert ist die Nachhaltigkeit aller Lebensbereiche, insbesondere der effiziente Umgang mit begrenzten Rohstoffen. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS betreibt angewandte Forschung im Bereich der Materialeffizienz und ist Impulsgeber, Innovator und Problemlöser für die Industrie und für öffentliche Auftraggeber in den Bereichen Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer und Funktionalität von Werkstoffen in Bauteilen und Systemen. Die Kernkompetenzen liegen im Bereich der Charakterisierung von Werkstoffen bis auf die atomare Skala sowie in der Materialentwicklung.
Über die KME
Mit Produktionsstandorten in Deutschland, Frankreich, Italien, Spanien, China und den USA ist die KME einer der weltweit größten Hersteller von Produkten aus Kupfer und Kupferlegierungen. Für die industrielle Nutzung werden vor allem die exakt definierten Materialeigenschaften sowie engste Fertigungstoleranzen geschätzt. Das Produktprogramm der KME bietet ein breites Spektrum von High-Tech Lösungen in Kupfer und Kupferlegierungen für Anwender aus den verschiedensten Industriezweigen. Kupfer ist nicht nur ein klassischer Werkstoff, sondern kommt vielfältig auch in innovativen technischen Einrichtungen und Anwendungen zum Einsatz, wie z. B. in der modernen Kommunikationstechnik, im Automobilbau oder den technisch arrivierten Guss-Verfahren der Nichteisen- und Stahlindustrie. Die KME geht mit ihrem Leistungsspektrum dabei weit über das Walzen, Pressen und Ziehen von Halbzeugen hinaus. Das Produktportfolio reicht vom technischen Engineering für die arrivierten Guss-Verfahren der Nichteisen- und Stahlindustrie bis hin zum kompletten Service von Spezialanlagen anspruchsvoller Kunden aus aller Welt.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Sandy Klengel, Gruppenleiterin Bewertung elektronischer Systemintegration, Fraunhofer IMWS, Telefon +49 345 5589-125, sandy.klengel@imws.fraunhofer.de
Weitere Informationen:
https://www.imws.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/kupfer-halbzeug-3d-druck-leistungselektronik-kuehlelemente.html
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