Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Additive Fertigung von Bauteilen aus Rein-Kupfer mittels SLM und "grüner" Laserstrahlung

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die Additive Fertigung komplexer Bauteile aus Reinkupfer mittels des Laserstahlschmelzens (SLM). Aus dem Stand der Technik kann abgeleitet werden, dass mittels einer Laserstrahlquelle der Wellenlänge von Lambda = 515nm und einer Laserleistung von PL ≥ 400W im cw Betrieb der Aufbau von Bauteilen aus Rein-Kupfer mittels SLM möglich ist. Daher wird im Vorhaben erstmals die grundlegende SLM-Prozessführung mit Laserstrahlung der Wellenlänge von Lambda = 515nm zur Verarbeitung von Rein-Kupfer erforscht. Die grundlegenden Ergebnisse werden noch während der Vorhabenslaufzeit konkret für den Anwendungsbereich der Induktorenfertigung umgesetzt.

Damit stehen zu Projektende die SLM Anlagentechnik mit „grüner Strahlquelle, der SLM Prozessführung zur Verarbeitung von Rein-Kupfer, der Gebrauchseigenschaften der hergestellten Bauteile, insbesondere der Leitfähigkeit sowie Demonstratoren (Induktoren) als wesentliche Ergebnisse zur Verfügung. Somit können erstmals komplexe Induktoren aus Reinkupfer mittels SLM additiv gefertigt werden und dadurch signifikant effizientere Induktoren ohne bisherige fertigungstechnische Restriktionen ausgelegt und realisiert werden.

Die angestrebten Forschungsergebnisse sind insbesondere für zwei Branchen mit hohem KMU Anteil von großer Bedeutung, der AM Branche mit Maschinenherstellern und Dienstleistern sowie auch Pulverlieferanten und der Wärmebehandlungsbranche mit Induktorenherstellern, Induktionsanlgenherstellern sowie deren Endanwender.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurde erfolgreich eine Prozessführung unter Verwendung einer im grünen Spektralbereich emittierenden Laserstrahlquelle entwickelt, die eine additive Fertigung von Bauteilen aus Reinkupfer ermöglicht. Die Verwendung einer im Wellenlängenbereich von λ =515 nm bis λ =532 nm emittierenden Strahlquelle ermöglicht die Realisierung eines breiten Prozessfensters für die Fertigung von dichten Bauteilen aus dem Werkstoff Cu-ETP. Die volle elektrische Leitfähigkeit von Reinkupfer wird erstmals im additiv gefertigten Material erreicht. Die wesentlichen Resultate sind:

1.) Integration einer „grünen“ Laserstrahlquelle in eine SLM Anlage inklusive Charakterisierung der drei alternativen Strahlquellen

2.) Entwicklung eines Prozessfensters für eine additive Fertigung von Reinkupfer und das Erzielen der folgenden Eigenschaften:

a. Spezifische elektrische Leitfähigkeit: 100 IACS% (58 MS/m)

b. Relative Dichte: >99,5%

c. Maßhaltigkeit: 200 µm

d. Formgenauigkeit < 450 µm (geometrieabhängig)

e. Oberflächenrauheit: SA = 20 µm

f. Minimal realisierbare Wandstärke: < 1 mm

g. Aufbaurate bis zu 15 mm3/s (bei 99,6% relativer Dichte)

3.) Fertigung von Bauteilen für Endanwendertests zur Bestimmung des technologischen Potentials der entwickelten Prozessführung mit „grüner“ Laserstrahlquelle

Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich in der Produktentwicklung und der Fertigung von industriell genutzten Induktoren zur induktiven Wärmebehandlung sowie Bauteilen anderer Branchen wie der Elektrotechnik