Was kann 3D-Druck mit Kupfer?

Kupfer und seine Legierungen sind laut der Marktstudie „Ampower Report 2022“ der Unternehmensberatung Ampower die Werkstoffgruppe, bei der Anwender den größten Zuwachs im Verbrauch vorhersagen. Während der durchschnittliche Materialverbrauch über alle Metalllegierungen hinweg um jährlich rund 32 % wächst, wird für Kupfer und seine Legierungen ein jährlicher Zuwachs von rund 45 % vorhergesagt. Damit würde sich das Volumen von 122 t in 2021 auf fast 800 t in 2026 erhöhen.

Erste Versuche in den 2000er-Jahren, Kupfer mittels Additiver Fertigung (additive manufacturing, AM) zu verarbeiten, misslangen und der Werkstoff galt lange als nicht geeignet für Pulverbett-Verfahren. Eine prozesssichere Verarbeitung in der Industrie hat sich erst in den letzten fünf Jahren etabliert. Bessere Prozessführung, höhere Laserleistungen und Neuerungen in der Anlagentechnik machen diese Fortschritte möglich. Doch die Verarbeitung bleibt insgesamt komplex und es müssen die Eigenarten des Werkstoffs, wie die starke Oxidationsneigung des Pulvers oder die Temperaturgradienten bei Schmelzverfahren infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit, verstanden und berücksichtigt werden. Bei der Anwendungssuche für gedruckte Kupferbauteile steht man folglich insgesamt noch am Anfang.

Gedruckte Komponenten aus Reinkupfer sind zumeist in Anwendungen zu finden, die sich die hohe elektrische Leitfähigkeit oder Temperaturleitfähigkeit zunutze machen, wie Induktionsspulen, Schweißzubehör, Antennen oder Kühlkörper. Komplexe Geometrien oder dünnwandige Strukturen sind Gründe für den 3D-Druck als Produktionsmittel. Weitere Anwendungen werden im Bereich der Elektrifizierung von Fahrzeugen untersucht. Durch die Freiheit im Design werden Leistungsgewinne erzielt. Für den Massenmarkt stellen jedoch die heute noch hohen Kosten der Additiven Fertigung eine erhebliche Hürde dar, sodass derzeit vorwiegend Prototypen, Kleinserien und für den Rennsport mit Kupfer gedruckt wird.

Temperatur-resistente Kupferlegierung wie Kupfer-Chrom-Zirkon (CuCrZr) werden zurzeit stark in der Luft- und Raumfahrt nachgefragt. In diesem Feld können die Vorteile der Additiven Fertigung voll ausgespielt werden. So werden aus dem Werkstoff CuCrZr hochkomplexe Raketenendstufen gefertigt, die neben einer umfassenden Funktionsintegration und Reduktion der Einzelkomponenten eine hohe Leistungszunahme versprechen, während Lieferzeiten und Kosten wahrscheinlich sinken.

In der von Ampower durchgeführten Studie wurden elf verschiedene Technologien untersucht. Das die Industrie dominiernede AM-Verfahren ist momentan powder bed fusion (PBF, Pulverbett) mit Laser oder Elektronenstrahl. Rund 85 % der derzeit 16.000 installierten Maschinen arbeiten mit dem Verfahren ausmacht. Es wurden sowohl die Laser-PBF-Varianten mit kleiner und hoher Laserleistung und mit Faserlaser betrachtet, als auch neuere PBF-Prozesse mit „grünen“ Lasern. Diese versprechen in der Theorie bei Kupferwerkstoffen infolge der Wellenlängen-abhängigen Absorption der Laserstrahlung eine um mehr als 10-fach bessere Leistungsaufnahme. Auch das Elektronenstrahl-PBF (auch EBM, electro beam melting) wurde in der Studie betrachtet. Weitere untersuchte Technologien umfassen das sinter-basierte Binder Jetting und Metallextrusion mit Filament als auch Pellets sowie Kaltgasspritzen (cold spray) und Ultraschall-Schweißen (ultrasonic welding).

Hauptbestandteil der Studie war neben einer theoretischen Betrachtung des aktuellen Stands der Technologie, der jeweiligen Vor- und Nachteile sowie der Kosten, die empirische Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Wärmeleitfähigkeit. Für diesen Teil wurden rund 60 Proben aus Reinkupfer bei Anwendern aus Industrie, Fertigungsdienstleistern und Anlagenherstellern angefragt. Jeweils einer der beiden Probensätze je Verfahren wurde mittels heißisostatisches Pressen (HIP) verdichtet. Infolge dieser Wärmebehandlung zeigte sich für alle Proben eine deutliche Reduktion der sichtbaren Oxidschicht.

Die elektrische Leitfähigkeit wurde auf Basis des Wirbelstromprinzips ermittelt. Dabei wurde neben dem Einfluss der Aufbaurichtung auch die unvorteilhaften Auswirkungen der typischerweise recht rauen Oberfläche beachtet. Neben einer Messung im „rauen“ Ausgangszustand wurde eine Probe jeden Satzes einem spanenden Prozess unterzogen, um eine gleichmäßige Oberflächenqualität für die Messung zu erhalten. Für die Kostenbetrachtung wurde ein internes AM-spezifisches Kostenmodell verwendet, das je Verfahren mehrere hundert Parameter berücksichtigt und als Ergebnis Aussagen zur Produktivität des Verfahrens und zu den Kosten je aufgebauter Volumeneinheit zulässt.

Auch Cold Spray und Ultrasonic Welding weisen hohe IACS um die 100 % auf – bei gleichzeitig geringeren Kosten je Volumeneinheit. Das ist ein intrinsisches Merkmal dieser Verfahren, das einhergeht mit höherer Fertigungsgeschwindigkeit, jedoch weniger Gestaltungsfreiheit erlaubt. Folglich besitzen diese Verfahren auch die höchste Produktivität. Die PBF-Prozesse liegen erneut nahezu gleichauf mit leichten Vorteilen beim grünen Laser.

Die Studie ergab, dass der AM-Markt für Kupfer insgesamt noch in einer frühen Phase ist, zeigt jedoch großes Potenzial für eine schnellere Verbreitung und Einsatz in einem größeren Anwendungsfeld.