Kupfer 3D-Druck

Kupfer ist für seinen rötlich-orangefarbenen Farbton bekannt und aufgrund seiner bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften ein beliebtes Metall. Diese Eigenschaften machen es zu einer entscheidenden Komponente in einer Vielzahl von Branchen, von der Elektronik bis zur Endkomponentenfertigung. Mit der Weiterentwicklung des 3D-Drucks findet Kupfer neue Anwendungsmöglichkeiten und ermöglicht die Erstellung komplexer kundenspezifischer Designs, die bisher nicht realisierbar waren. Um die Eigenschaften dieses Metalls, die Vorteile, die es für 3D-gedruckte Teile mit sich bringt, und die wichtigsten Hersteller auf dem Markt besser zu verstehen, lesen Sie diesen Artikel.

Materialeigenschaften

Kupfer (Cu), Ordnungszahl 29, ist ein chemisches Element. Es ist nach Eisen und Aluminium das am dritthäufigsten verwendete Metall der Welt und wird in der additiven Fertigung immer beliebter. Kupfer verdankt seine Beliebtheit seinen interessanten Eigenschaften, insbesondere seiner Leitfähigkeit. Aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit, Duktilität und Formbarkeit ist es eines der am häufigsten verwendeten Metalle zur Herstellung elektrischer Komponenten. Wenn wir uns auf die Anwendung im 3D-Druck konzentrieren, werden wir verschiedene Legierungen auf Kupferbasis finden, es gibt jedoch geringfügige Unterschiede zwischen ihnen. Nachfolgend haben wir einige der gängigsten Legierungen und ihre spezifischen Eigenschaften aufgelistet:

• Cu (reines Kupfer): ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit, wird in elektrischen Bauteilen verwendet;
• CuCrZr (Kupfer-Chrom-Zirkonium): verbessert die Verformungsbeständigkeit und Härte;
• CuCP (Kupferphosphid): korrosionsbeständig, gute Duktilität;
• CuSn (verzinntes Kupfer): verbessert Korrosionsbeständigkeit und Härte;
• CuNi30 (Kupfer-Nickel 30): Bietet Korrosionsbeständigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften.

Die Gewinnung dieses Materials beginnt in Minen (über Tage oder unter Tage), wo Kupfererz aus dem Boden gefördert wird. Nach dem Abbau wird das Erz zerkleinert und gemahlen, um es in kleinere Partikel aufzubrechen, wodurch es einfacher wird, Kupfer aus anderen Mineralien zu lösen. Anschließend wird das Roherz durch eine Reihe von Prozessen wie Konzentration, Verhüttung oder elektrochemische Raffinierung in Metalle höherer oder niedrigerer Reinheit und deren Legierungen umgewandelt. In dieser Übergangsphase wird die Form von Kupfer (Pulver oder Draht) für die additive Fertigung definiert.

3D-Druck von Kupfer

Wie bereits erwähnt, weist Kupfer eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, was die Lebensdauer gedruckter Teile in rauen Umgebungen verlängert. Darüber hinaus kann es bei entsprechender Prozessoptimierung wettbewerbsfähige mechanische Eigenschaften aufweisen, einschließlich Härte und Verschleißfestigkeit. Allerdings bringt der 3D-Druck von Kupfer auch Herausforderungen mit sich. Beispielsweise kann sein relativ niedriger Schmelzpunkt das Schmelzen des Materials erschweren und die Qualität der Zwischenschichtbindung beeinträchtigen. Darüber hinaus kann die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer beim Abkühlprozess zu Verformungsproblemen führen, die die Maßhaltigkeit des Teils beeinträchtigen. Dennoch ermöglicht dieses in der additiven Fertigung verwendete Metall die Herstellung von Teilen für die anspruchsvollsten Branchen.

Heutzutage sind viele kupferkompatible 3D-Drucktechnologien verfügbar, am häufigsten sind pulverbasierte Systeme. Erstens ist die additive Metallpulverbettfertigung (L-PBF, DMLS oder SLM) ein Prozess, mit dem Endteile und Prototypen aus nahezu jeder Metalllegierung, einschließlich Kupfer, hergestellt werden. Die Qualität, Stärke und Dichte dieser Technologie sind viel höher als bei herkömmlichen Technologien. Das Elektronenstrahlschmelzen, auch bekannt als EBM (Electron Beam Melting), ist eine mit Kupferlegierungen kompatible Option, die sich ideal für High-End-Prototyping und Kleinserienproduktion eignet.

Da mit dem Binder-Jet-Verfahren Pulvermaterialien verarbeitet werden können, können auch Kupferteile hergestellt werden. Obwohl sich reines Kupfer mit dieser Methode nur schwer zu hohen Dichten verarbeiten lässt, haben einige Unternehmen eigene Lösungen entwickelt, um dieses Ziel zu erreichen. Daher können wir bei der Herstellung von Teilen aus diesem leitfähigen Metall von der geometrischen Freiheit und den reduzierten Kosten der additiven Fertigung profitieren.

Eine weitere mit Kupfer kompatible additive Fertigungstechnologie ist die konzentrierte Energieabscheidung (DED). Je nach Maschine kann das Metall in Pulver- oder Drahtform vorliegen. Im Gegensatz zu anderen Metalltechnologien basiert der DED-3D-Druck auf der Zugabe von Material durch einen Echtzeit-Schmelzprozess, der eine große Flexibilität bei der Erstellung komplexer Geometrien und die Möglichkeit zur Reparatur vorhandener Komponenten ermöglicht.

Schließlich gibt es zwei Techniken, die mit bestimmten Ausnahmen üblicherweise bei Kunststoffmaterialien zur Herstellung von Kupferteilen verwendet werden. Dabei handelt es sich um Extrusions-3D-Druck (FFF/FDM) und Reduktionsphotopolymerisation. Zunächst entwickelte Markforged eine Extrusionslösung, die den Einsatz von Draht ermöglicht. Dies ist beim Metal X der Fall, einem FFF-3D-Drucker, der Metallpulver verarbeiten kann, das in einem Kunststoffbinder eingekapselt und Schicht für Schicht aufgetragen wird. Nach dem Drucken muss das Teil gereinigt und in einen Ofen gestellt werden, um den restlichen Klebstoff durch Erhitzen zu entfernen und ihm alle seine Eigenschaften zu verleihen. Was die zweite Technologie betrifft, haben Unternehmen wie Holo, Admatec oder Incus ihre eigenen Metall-3D-Drucker entwickelt, die mit Kupfer kompatibel sind und auf der Herstellung mit Flüssiglithographie basieren.

Hauptanwendungen

Angesichts der attraktiven Eigenschaften von Kupfer wird erwartet, dass es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bietet. Unabhängig von der verwendeten Additivtechnologie zeichnet sich Kupfer eindeutig durch seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Aus diesem Grund verwenden viele Unternehmen dieses Material zur Herstellung von Bauteilen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit erfordern, wie z. B. Induktionsspulen, Motorwicklungen für Elektrofahrzeuge, elektromagnetische Spulen, Wellenleiter und Antennen.

Darüber hinaus ist es ein sehr nützliches Metall für Wärmeableitungs- und Wärmeaustauschkomponenten wie Kühlplatten, Kühler und Wärmerohre, Temperaturaustauscher, Kühleinheiten, geformte Kühlformeinsätze usw. Schließlich wird dieses metallische Material in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig in Antriebssystemen und Raketentriebwerksteilen verwendet.

Maschinen- und Kupferhersteller

Abhängig von der zur Herstellung des Kupferteils verwendeten Technologie kann das Metall in verschiedenen Formen vorliegen (hauptsächlich Pulver und Draht). Mehrere Unternehmen bieten derzeit Kupferlegierungen im Markt für additive Fertigung an. Dazu gehören Sandvik, BE-CU.COM, Höganäs, Safina und Mitsubishi Materials sowie EOS, 3D Systems und Elementum.

Über das Material selbst hinaus sind auch die Unternehmen zu erwähnen, die mit diesem Metall kompatible additive Fertigungslösungen entwickelt haben. Wir können die bereits erwähnten Systeme Markforged, Holo, Admatec, Incus und 3D erwähnen. Aber es gibt noch viele andere, wie Colibrium Additive (ehemals GE Additive), Desktop Metal mit ExOne, SLM Solutions, Renishaw, Optomec und DMG Mori, und die Liste ist nicht vollständig.