Protiq: Verarbeitung von hochleitfähigem Kupfer im 3D-Druck

Werden komplexe Induktoren konventionell hergestellt, kostet dies viel Zeit und Geld. Dass es anders gehen kann, zeigt die Protiq GmbH. Auf der Online-Plattform des Unternehmens lassen sich selbst Bauteile aus hochleitfähigem Kupfer individuell konfigurieren sowie schnell und kostengünstig im 3D-Druckverfahren produzieren.

Seit einigen Jahren sorgt der 3D-Druck – auch additive Fertigung genannt – in zahlreichen Bereichen der industriellen Produktion für vielfältige Innovationen. Durch die neu gewonnenen Gestaltungsfreiheiten lassen sich jetzt Bauteile wirtschaftlich herstellen, deren konventionelle Fertigung bislang nicht möglich war. Wird bereits in der Entwicklungsphase auf eine rechnergestützte Optimierung zurückgegriffen, können die Bauteile zudem optimal ausgelegt und ihre Eigenschaften im Betrieb verbessert werden. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten nutzt die Protiq GmbH unter anderem zur Herstellung von innovativen Spulen, die der induktiven Erwärmung dienen.

Seit der Erfindung des 3D-Drucks in den 1980er Jahren hat sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Die ersten 3D-Drucker arbeiteten mit einem UV-Laser und einem durch die UV-Strahlen aushärtenden Photopolymer-Harz. Die so entstandenen Bauteile eigneten sich vor allem als Anschauungsmuster und Prototypen. Mittlerweile hat sich eine Vielzahl neuer 3D-Druckverfahren etabliert – zum Beispiel das selektive Laserschmelzen oder Lasersintern -, die eine Fertigung von Serienbauteilen ermöglichen. Damals wie heute bauen sich die Komponenten dabei verfahrensübergreifend Schicht für Schicht auf. Durch diese Prozesse können sogar hochgradig komplexe Geometrien – wie aufwändige Freiformflächen oder innenliegende Strukturen – effizient hergestellt werden. Die Fülle der vorhandenen 3D-Druckverfahren erlaubt ferner die Verarbeitung einer großen Bandbreite an Werkstoffen. Als Dienstleister für den industriellen 3D-Druck setzt die Protiq GmbH zahlreiche technische Kunststoffe und metallische Werkstoffe in der additiven Fertigung ein. 2016 als Teil der Phoenix Contact-Gruppe gegründet, zeichnet sich das Unternehmen seither durch hohe Produktionsqualität und geringe Lieferzeiten aus.

Eine Besonderheit stellt der durch Protiq entwickelte hochleitfähige Kupferwerkstoff dar. Kupfer wird insbesondere in der Elektroindustrie für seine hohe elektrische Leitfähigkeit von bis zu 58 MS/m geschätzt. Bei der additiven Fertigung von Metallbauteilen auf Basis des selektiven Laserschmelzens erzeugt ein starker Laser durch das schichtweise Verschmelzen feiner Metallpulver komplizierte Bauteile. Lange Zeit galt die Verarbeitung elektrisch hochleitfähiger Kupferwerkstoffe in diesem Prozess als nicht umsetzbar. Aufgrund der Wellenlänge des verwendeten infraroten Lasers wird ein Großteil der Laserenergie durch den roten Kupferwerkstoff reflektiert. Dadurch können die komplexen Produktionsanlagen von innen beschädigt und im schlimmsten Fall kann die teure Laserquelle zerstört werden.

Das Einkoppeln des Lasers lässt sich unter anderem durch die Zugabe von Legierungselementen verbessern. Auf diese Weise wird allerdings die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs gesenkt, sodass bisherige Lösungen mit einer Leitfähigkeit von lediglich 25 MS/m nicht für stromführende Anwendungen genutzt werden konnten. Im Rahmen einer intensiven mehrjährigen Forschung hat Protiq nun einen Prozess für die additive Verarbeitung hochleitfähigen Kupfers entwickelt. Der Werkstoff erreicht eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 50 MS/m und weist einen Kupferanteil von 99 % auf. In ersten vielversprechenden Fertigungsversuchen ist es Protiq zudem schon gelungen, reines Kupfer für den 3D-Druck einzusetzen und noch höhere Leitfähigkeiten zu erzielen. Durch die Verwendung alternativer Laserquellen mit grünen oder sogar blauen Wellenlängen wird das Reflektionsverhalten des Kupfers optimiert und das Material lässt sich kontrolliert aufschmelzen.

In diesem Kontext eröffnet insbesondere der 3D-Druck von komplexen Induktoren aus hochleitfähigem Kupfer, die zur induktiven Erwärmung genutzt werden, großes Potenzial. Bei der induktiven Erwärmung generiert der Induktor ein magnetisches Wechselfeld, wodurch im Bauteil ein elektrischer Strom induziert und das Material durch joulesche Erwärmung aufgeheizt wird. Das effektive und gut reproduzierbare Verfahren hat sich vor allem bei der Randschichthärtung von hochbeanspruchten Bauteilen – wie Zahnrädern oder Getriebebauteilen – als industrieller Standard durchgesetzt. Die Qualität des eingestellten Härtebildes hängt dabei unmittelbar vom erzeugten Magnetfeld und somit von der Form des Induktors ab.

Konventionell werden Induktoren durch das Biegen und Verlöten von Kupferprofilen hergestellt. Um die für den Betrieb notwendige Wasserkühlung umzusetzen, kommen runde oder rechteckige Hohlprofile zum Einsatz. Der oft manuelle und daher aufwändige Prozess verursacht hohe Produktionskosten und lange Lieferzeiten. Außerdem schränken minimale Biegeradien und die gewählte Profilform die Gestaltungsfreiheit ein. Deshalb kann das volle Potenzial des Induktors häufig nicht ausgeschöpft werden.

Durch die additive Fertigung von Induktoren aus hochleitfähigem Kupfer lassen sich die Nachteile der manuellen Herstellung überwinden. Protiq stellt dem Anwender die in 3D gedruckten Induktoren nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich schneller zur Verfügung. Denn die bisherige Lieferzeit einer Spulengeometrie von mehreren Monaten wird auf wenige Tage reduziert. Darüber hinaus zeichnet sich der automatisierte Fertigungsprozess im Vergleich zum manuellen Biegeverfahren durch eine bessere Reproduzierbarkeit und höhere Genauigkeit aus.

Der 3D-Druck erlaubt eine wesentlich größere Gestaltungsfreiheit, da keine minimalen Biegeradien oder vorgegebene Querschnitte mehr berücksichtigt werden müssen. Auf diese Weise lassen sich neue, innovative Induktorgeometrien mit einer optimierten Magnetfeldführung und verbesserten Prozesseigenschaften entwickeln. Durch die Verwendung rechnergestützter numerischer Simulationen werden die Prozessparameter und die Induktorgeometrie bereits zu Beginn der Entwicklung optimal ausgelegt. Dazu wird der induktive Erwärmungsprozess in einem Modell abgebildet, das sowohl die Geometrie des Induktors und des zu erwärmenden Bauteils als auch Informationen über die vorliegenden Randbedingungen umfasst. Zudem ist das elektromagnetische Verhalten der Werkstoffe hinterlegt. Auf der Grundlage des Modells lassen sich in einem iterativen Prozess die elektromagnetischen Vorgänge der induktiven Erwärmung simulieren und die Induktorgeometrie auf Basis der Ergebnisse anpassen. Durch die Simulation kann zum einen das elektromagnetische Verhaltens des Induktors visualisiert und interpretiert, sowie andererseits die Erwärmung des Bauteils und das entstehende Härtebild ermittelt werden. Das vermeidet langwierige und teure Erwärmungsversuche zur Bestimmung einer geeigneten Induktorgeometrie. Die auf die beschriebene Weise entwickelten von Protiq additiv aus Kupfer gefertigten Induktoren überzeugen im Betrieb durch ein schnelleres und präziseres Erwärmungsverhalten. Dadurch können genauere Härtebilder am Bauteil eingestellt und Taktzeiten in der Serienproduktion reduziert werden.

Um die Geschwindigkeit des additiven Fertigungsverfahrens nicht durch den konventionellen Bestellprozess zu verzögern, stellt Protiq seinen Kunden eine durchgehend digitale Online-Plattform zur Verfügung. Die Kunden laden ihr individuelles Bauteil als dreidimensionales Modell auf der Plattform hoch und erhalten unmittelbar eine Auskunft über die Herstellungskosten und Lieferzeiten. Innerhalb weniger Minuten kann dann ein offizielles Angebot erstellt und die Bestellung bei Protiq platziert werden. Im Rahmen des Uploads findet automatisch eine Qualitätskontrolle der angelieferten Daten statt. Dabei werden kleinere Fehler selbstständig durch einen Reparaturalgorithmus behoben. Aufgrund der konventionellen manuellen Produktion liegen häufig keine 3D-Daten der benötigten Induktoren vor. Neben dem Hochladen der Daten bietet Protiq deshalb auf der Webseite eine individuelle Konfiguration der Spulen an. Durch eine intuitive Bedienung kann der Kunde in kurzer Zeit die gewünschte Spulenform generieren. Dazu wählt er zwischen sechs Grundgeometrien aus, die er durch Schieberegler beispielsweise hinsichtlich des Spulen- und Kanaldurchmessers oder der Windungszahl des Induktors anpassen kann. Das erzeugte Bauteil wird stets in einer 3D-Vorschau dargestellt und automatisch nach jeder Änderung adaptiert. Auch hier erhält der Kunde ständig die Information über den sich gegebenenfalls ändernden Preis und kann den konfigurierten Induktor abschließend direkt online bestellen.