Additive Fertigung kann jedes Material verarbeiten, das sich aushärten, schmelzen oder schweißen lässt. Aber reines Kupfer im Pulverbett-Verfahren blieb lange Zeit ein Traum. Dann brachte Trumpf die Truprint 1000 Green Edition mit grünem Laser heraus. Ist das nun die Verwirklichung des Traums?
„Reines Kupfer ist nicht so einfach zu verarbeiten“, stellt Stefan Auernhammer klar. Man sollte Expertise mitbringen und wissen, wie man die Parameter für den additiven Prozess einstellen kann. Auernhammer ist der Bereichsleiter für additive Technologien bei Toolcraft. Der Auftragsfertiger beschäftigt sich seit 2005 mit Additiver Fertigung (AM, additive manufacturing), besitzt seit elf Jahren 3D-Druck-Systeme verschiedener Hersteller für Metallpulver und die Truprint 1000 für Kupfer seit Dezember 2019.
Kupfer bildet keine klassischen Schweißraupen
Es besteht also jahrelange Erfahrung mit dem LPBF-Verfahren (laser powder bed fusion, Pulverbett-Verfahren, auch SLM) und verschiedener Metalle. „Mit dem Handling der Maschine gab es keine Probleme, aber an den Werkstoff mussten wir uns gewöhnen“, so Auernhammer. „Kupfer zerläuft eher und bildet keine klassischen Schweißraupen“, erklärt Max Horn vom Fraunhofer IGCV. „Dadurch entsteht eine andere Oberfläche als bei anderen Metallen und bei Überhängen muss man etwas mehr aufpassen.“
Maschinen der Additiven Fertigung, die mit Laser arbeiten, haben in der Regel einen roten Laser. Rot, weil seine Wellenlänge im Infrarot-Bereich liegt. Kupfer reflektiert das rote Licht. Deswegen kann nur wenig elektromagnetische Energie vom Kupfer aufgenommen werden. „Deutlich weniger als 10 Prozent werden zum Aufschmelzen verwendet“, so Horn.
Stabilere Prozesse mit dem grünen Laser
Der grüne Laser hat nur die halbe Wellenlänge, sein Strahl erscheint uns grün. Wesentlich mehr seiner Energie wird vom Kupfer aufgenommen. Somit ist mehr Energie zum Schmelzen vorhanden. „Dementsprechend hat man ein durchgängigeres Schmelzbad und damit einen stabileren Prozess. Also weniger Schwankungen bei der Einschweißtiefe und Schweißbreite und eine viel höhere Prozessgüte“, ergänzt Horn.
Gemeinsam mit Rheinmetall und der Bundeswehr hat Toolcraft Komponenten für ein Werfersystem auf dem Schützenpanzer Puma entwickelt und gefertigt. Problematisch war die Größe des Gehäuses. Da der Bauraum der vorhandenen AM-Anlagen zu klein war, musste der Auftragsfertiger das Gehäuse in Einzelteile zerlegen. Diese wurden wieder zusammengeschweißt – per LMD (laser metal deposition), das zum additiven Auftragschweißen zählt. So musste nicht mehrer Stunden per Hand geschweißt werden – LMD ist sogar rund 70 % schneller. Doch wegen des komplex aufgebauten Gehäuses und der schwer zugänglichen Stellen, hätte eine Standard-Schweißdüse an einige Bereichen nicht kollisionsfrei arbeiten können. Also wurde eine Spezialdüse entwickelt.
Die Schweißdüse aus reinem Kupfer
Diese Düse hat Toolcraft selbst konstruiert und auf der Truprint 1000 Green Edition gefertigt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Düsen besteht sie aus nur einer Komponente und nur einem Material, benötigt nur eine Schnittstelle, ist besser gekühlt, insgesamt kleiner und besticht mit einem kleineren Düsendurchmesser. Das prädestiniert sie für Schweißarbeiten nah am Objekt.
Die Truprint 1000 mit dem grünen Laser ist für Toolcraft die Einstiegsmaschine. „Damit wollen wir den Werkstoff Kupfer und dessen Legierungen besser verstehen“, verrät Christoph Hauck, Vorstand Technologie und Vertrieb bei Toolcraft.
An Anwendungen fehlt es nicht
Anwendungsbereiche für reines Kupfer hat Toolcraft einige entdeckt. Bei Induktion etwa müssen die Induktionsspulen immer auf die jeweiligen Bauteile angepasst werden – Individualserien sind prädestiniert für AM. Auch in der E-Mobility sieht Hauck Potenzial: „Da fristet reines Kupfer zwar noch ein Nischendasein, aber mit der Weiterentwicklung des grünen Lasers auf größere Anlagen wird sich das ändern“, ist er sich sicher. Raketentriebwerke und Wärmetauscher sind weitere Anwendungsbereiche.
Ebenso die Leistungselektronik. Eigentlich alle Applikationen, in denen Leitfähigkeit ein Thema ist und speziell dort, wo relativ viel Wärme in einem geringen Bauraum abgeführt oder Elektrizität übertragen werden muss. Dazu zählen beispielsweise Quantencomputer oder Newspace. Hauck ergänzt die Möglichkeiten der Maschine: „Man verspricht sich vom grünen Laser auch hinsichtlich reinem Aluminium und Titan eine höhere Produktivität.“ Aber Toolcraft nutzt ihn ausschließlich für reines Kupfer und Kupferlegierungen.
Ohne Erfahrung geht es nicht
Damit die Algorithmen einer Konstruktions- und Simulationssoftware sinnvolle Vorschläge ausgeben, muss sie sowohl die Eigenschaften des Werkstoffs als auch die der Maschine kennen. „Wir haben keine besondere Software für Kupfer“, sagt Hauck. „Allerdings mussten wir für die Verzugssimulation erst Erfahrungswerte sammeln, um die richtigen Parameter einzustellen“, ergänzt er. In der Additiven Fertigung fehlt es noch an der nötigen Masse an Daten, um Algorithmen zu speisen und automatisierte Prozesse zu erhalten. Daher sind das Knowhow der eigenen Leute und die Zeit, Wissen aufzubauen, so wichtig.
Beim Konstruieren sind es laut Horn eher Kleinigkeiten, auf die man beim reinen Kupfer achten sollte. Beispielsweise benötigen Winkel etwas früher Stützstrukturen als die meisten anderen Metalle. Dafür sind die Stützstrukturen laut Auernhammer sehr gut zu entfernen. „Bei reinem Kupfer muss man eher aufpassen, dass man das Bauteil nicht beschädigt, weil schnell Kratzer und Abrieb entstehen“, fügt er an.
Gedruckt wird auf Standard-Edelstahlbauplatten. Per Drahterodieren löst Toolcraft das Bauteil von der Bauplatte. Ein Grund für die Wahl: Eine Säge benötigt zu viel Aufmaß.
Additve Fertigung mit reinem Kupferpulver ist also machbar. Zumindest ein in Pulverfahren erfahrenes Unternehmen kann verhältnismäßig einfach einsteigen. Trotzdem bleiben auch hier – wie überall in der Additiven Fertigung – erste Trail-&-Error-Versuche nicht aus.
