Mithilfe des additiven Laser-Powder-Bed-Fusion-Verfahrens lassen sich komplexe Kühlkörperstrukturen aus Kupfer herstellen.

Bild: KME

Wärmeleitfähige Kupfer-Bauteile Hochleistungskühlkörper aus dem 3D-Drucker

01.07.2020

In einem neuen Projekt erforschen zwei Partner den Einsatz von additiven Fertigungstechnologien für hochwärmeleitfähige Bauteile aus Kupfer und Kupferlegierungen. Sie wollen damit neue Marktsegmente im Bereich der Kühlelemente für die Leistungselektronik erschließen.

Kupfer ist ein Werkstoff mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird. Da Silber als Werkstoff aufgrund seines hohen Preises nur für einzelne Spezialfälle zur Anwendung kommt, werden im Projekt „Technologie- und Materialentwicklung zur additiven Fertigung komplexer hochwärmeleitfähiger Cu-Bauteile – CuAdd“ auf Kupfer und dessen Legierungen. Projektpartner sind der Kupferhalbzeughersteller KME und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS.

Im Projekt werden Verfahren der additiven Fertigung für metallische Bauteile bewertet, darunter Fused Deposition Modeling (FDM), Binder Jetting (BJ), Nano Particle Jetting (NPJ) und Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF). Bei diesen Technologien werden die Bauteile schichtweise generiert. Als Ausgangsmaterialien kommen dabei Kupfer- beziehungsweise Kupferlegierungen zum Einsatz, die als reines Pulver oder gebunden in Filamenten vorliegen. Unterschiede bei der weiteren Verarbeitung bestehen bei der prozessabhängigen Materialzuführung und bei der Verarbeitungstemperatur.

Bevorzugtes Verfahren: Laser-Powder-Bed-Fusion

Das favorisierte Verfahren der Forschenden ist das Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF), da es bisher das erfolgreichste additive Fertigungsverfahren zur Prototypenfertigung metallischer Bauteile darstellt. Hier wird das Material in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht.

Der pulverförmige Werkstoff wird definiert mittels Laserstrahlung bei Temperaturen über 1.000 °C vollständig umgeschmolzen und bildet eine feste Materialschicht. Danach wird die Platte abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen und das Bauteil fertig ausgebildet ist.

„Neben der Erforschung und Bewertung des am besten geeigneten Verfahrens für hochwärmeleitfähige Kupfer-Bauteile werden wir außerdem prüfen, welches Pulver beziehungsweise Pulvergemisch in seinen Bestandteilen für welche Anwendung geeignet ist“, sagt Dr. Olaf Schwedler, Leiter Prozessentwicklung bei KME in Hettstedt. „Dabei spielen Faktoren wie die Partikelgröße, Fließfähigkeit und Porosität eine bedeutende Rolle, wenn die gewünschten Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit oder auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Bauteile erreicht werden sollen.“

Konventionelle Kühlmethoden ablösen

Im Gemeinschaftsprojekt werden die Kupfersorten Cu-ETP, Cu-OFE beziehungsweise Cu-HCP und die Kupferlegierungen CuCrZr und CuNi2SiCr getestet. Gleichzeitig prüfen die Partner die Kompatibilität unterschiedlicher Polymersysteme wie PLA (Polymilchsäuren) und PA (Polyamide) mit Kupfersystemen.

„Als Ergebnis wollen wir einen Prototyp mit geometrisch komplexer Struktur mittels additiver Herstellungsverfahren fertigen, der beispielsweise als Hochleistungskühlkörper eingesetzt werden kann. Bei erfolgreicher Durchführung könnten somit Schritt für Schritt aufwendige und kostenintensive konventionelle Technologien abgelöst werden“, erklärt Sandy Klengel, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS.

Die industriellen Kompetenzen von KME zur Kupferherstellung werden dabei mit der Expertise in der angewandten Mikrostrukturaufklärung des Fraunhofer IMWS kombiniert. Klengel: „Dadurch ermöglichen wir einen schnellen Aufbau von Expertenwissen im Bereich der Kupferpulver-Herstellung für den 3D-Druck.“

Bildergalerie

  • Die 3D-gedruckten Kühlkörper sollen neue Möglichkeiten in der Kühlung von Leistungselektronik eröffnen.

    Bild: KME

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