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Selektives Laserschmelzen auch für Kupferwerkstoffe geeignet

Beim Rapid Manufacturing - oder auch bei der schnellen Fertigung - werden digitalisierte Konstruktionsdaten direkt und schnell in Werkstücke umgesetzt. Im Bereich der Metalle eignet sich insbesondere das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) dazu, kompliziert geformte Bauteile herzustellen, die mit konventioneller Technik nur unter höchstem Aufwand oder gar nicht produzierbar wären. Im Rahmen des Projektes Inno Surface, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird, ist es nun einem Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen erstmals gelungen, das SML-Verfahren so zu modifizieren, dass es auch für Kupferwerkstoffe geeignet ist. Bislang war dies nämlich nicht der Fall. Dies eröffnet neue Möglichkeiten beispielsweise für die Herstellung von Werkzeugen für die Kunststoff-Verarbeitung, erklärt das Institut.

Das SLM-Verfahren, entwickelt vom Fraunhofer ILT, ist ein generatives Fertigungsverfahren. Mit diesem Verfahren werden metallische Bauteile direkt aus 3D-CAD-Daten (dreidimensionalen Computer-aided-Design-Daten) hergestellt. Beim SLM wird das Werkstück auf einer Bauplattform schichtweise aus einem pulverförmigen Werkstoff aufgebaut. Das Ganze funktioniert im Grunde wie ein Drucker in drei Dimensionen, wird erläutert. Gemäß den computergenerierten Konstruktionsdaten des geplanten Werkstücks wird das Metallpulver schichtweise aufgetragen und anschließend mit einem Laserstrahl an den vorgegebenen Stellen zum Schmelzen gebracht. Es verbindet sich dadurch fest mit dem bereits fertigen Teil des Objekts. SML wird beispielsweise im Werkzeug- sowie im Automobilbau eingesetzt. Beispielsweise bei der Verwendung von Aluminium-Druckgusslegierungen im Prototypenbaum oder gar für die Kleinserie, erklärt Projektleiter David Becker. Materialprüfungen haben gezeigt, dass derartig erzeugte Komponenten aus Stahl oder Leichtmetall nach einer anschließenden Wärmebehandlung eine ebenso hohe Güte aufweisen wie konventionell hergestellte.

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Kupferlegierungen war es bisher nicht möglich, SLM auch auf diese Werkstoffe anzuwenden. Zwar hat Kupfer einen niedrigeren Schmelzpunkt als Stahl, aber es absorbiert das Laserlicht nicht so gut, und die Wärmeabfuhr ist größer, erläutert das Fraunhofer-Institut. Das führe dazu, dass die Schmelzspur abreiße und sich winzige Schmelzkugeln bilden würden. Diese seien deutlich höher als die Schichtdicke und würden den weiteren Verfahrensablauf stören, heißt es. Außerdem erzeugen sie Hohlräume und verringern so die Dichte des späteren Bauteils, ergänzt das Institut. "Um die hohe Wärmeabfuhr und den geringen Absorptionsgrad des Kupfers während des Aufschmelzens zu kompensieren, setzen wir anstelle der zur Zeit beim SLM üblichen 200-Watt-Laser einen Laser mit 1000 Watt Leistung ein", erklärt Projektleiter David Becker. Um befriedigende Ergebnisse zu erzielen, wählte er einen Laser, der ein besonders gleichmäßiges Strahlprofil zeigt. Gleichzeitig haben Becker und sein Team die Anlage so modifiziert, dass der hohe Energieeintrag nicht zu Störungen führt: Sie haben beispielsweise die Schutzgasführung und die Mechanik geändert. "Versuche mit der Kupferlegierung Hovadur K220 zeigen bereits hervorragende Ergebnisse", freut sich Becker. "Die Dichte der Werkstücke beträgt nahezu 100 Prozent." Das Verfahren sei damit bereit für den industriellen Einsatz.

Gerade die große Wärmeleitfähigkeit prädestiniert Kupfer und seine Legierungen für viele Anwendungen, erklärt das Institut. So sorgen Einsätze aus derartigen Materialien in Stahlwerkzeugen für den Spritzguss zur Herstellung von Kunststoffteilen für eine besonders schnelle Wärmeabfuhr an kritischen Stellen. Mit SLM sei es möglich, diese Kupfereinsätze zusätzlich mit konturnahen Kühlkanälen zu versehen, in denen ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, fließe. Durch die gleichmäßige und schnelle Abkühlung im gesamten Werkzeug würden Taktzeiten und Verzug minimiert. Demnächst wollen die Wissenschaftler reines Kupfer zu dichten Bauteilen verarbeiten. Die Wärmeleitfähigkeit des Edelmetalls ist noch einmal fast doppelt so hoch wie bei Hovadur K220.
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