Kooperation mit Schunk zur 3D-Kupfer-Bauteilentwicklung

Bauteilbeispiel Kupfer: Demonstrator Kupferkühlung im ¾ Schnitt (Bild: AIM3D)

Christian Stertz
Projektleiter Anlagentechnik Schunk Sintermetalltechnik

„Das CEM-Verfahren von AIM3D erzielt hohe Dichten, Härtegrade und Leitfähigkeitswerte beim Werkstoff Kupfer, die andere AM-Verfahren so nicht abbilden können.“

Das Ziel der Kooperation zwischen Schunk und AIM3D umfasst drei strategische Ansätze: Zum einen Materialentwicklungen (wie z.B. Kupferwerkstoffe und Nickelbasiswerkstoffe), zum anderen Weiterentwicklung der Anlagentechnik (z.B. Extruderkühlung oder Vakuumspanntisch) und weiters Marketing und Akquisition für Schunk als Lieferant für 3D-Metallteile ab Losgröße 1.

Schwerpunkte bilden Rapid Prototyping und Kleinserien, die für die konventionelle Sintertechnik eine zu geringe Stückzahl aufweisen. Einen Entwicklungsschwerpunkt bilden Kupfer-Bauteile im 3D-Druck. Die Ergebnisse im Drucken von Kupfer schildert Christian Stertz, Projektleiter Anlagentechnik bei Schunk.

Hohe Fertigungstiefe: 3D-Metalldruck-Prozesskette bei Schunk (Bild: Schunk)

Infos zum Anwender

Die Schunk Group ist ein globaler Technologiekonzern. Das Unternehmen ist ein führender Anbieter von Produkten aus Hightech-Werkstoffen – wie Kohlenstoff, technischer Keramik und Sintermetall – sowie von Maschinen und Anlagen – von der Umweltsimulation über die Klimatechnik und Ultraschallschweißen bis hin zu Optikmaschinen. Die Schunk Group hat rund 9.000 Beschäftigte in 29 Ländern und hat 2020 einen Umsatz von 1,2 Mrd. Euro erwirtschaftet.

Metall-3D-Druck mit Kupfer

Die 3D-Bauteilentwicklung in Kupfer hat für Schunk eine strategische Dimension, da nur wenige Anbieter am Markt auftreten. Das leitfähige Material ist für bestimmte Bauteile der Elektroindustrie von Interesse. Das Spektrum der Branchen und Applikationen ist jedoch breit: So gibt es Applikationen mit Fokus auf Thermomanagement, vorrangig im Maschinen- und Anlagenbau. Und es gibt Applikationen mit Fokus auf verlustarmer Energieübertragung wie E-Mobilität, Schweiß- und Härtetechnik sowie in der Energieversorgung. Es gibt dabei Anwendungen in Reinkupfer, aber auch solche mit Kupferlegierungen. Mit der CEM-Technik der ExAM 255-Anlage von AIM3D, so Christian Stertz, bleiben die Vorteile von Wärme- oder elektrischer Leitfähigkeit auch im 3D-Druck erhalten. Er sieht darin ein Alleinstellungsmerkmal unter den additiven Fertigungsverfahren. Stertz schildert dabei bessere und höhere Leitfähigkeitswerte an der Oberfläche und im Inneren des Bauteils als bei anderen additiven Fertigungsverfahren. Auch bietet das CEM-Verfahren Vorteile beim Materialpreis und der Ressourcenschonung.

Projekte in Kupfer bei Schunk

Schunk entwickelte beispielsweise Induktionshärter (Induktoren) für Zahnräder im Automobilbereich oder für Kettenräder von Kettensägen. Dabei geht es um Induktionshärten eines Bauteils durch partielles Oberflächenhärten für höchste mechanische Anforderungen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Kupferbauteile: Dichte ca. 8,5 g/cm³ (rel. ca. 95 – 96 %), bei einer Leitfähigkeit 75 – 80 % (% IACS). Die Dichte erreicht damit Werte die vergleichbar zu MIM-Verfahren (Metallpulverspritzgießen) sind. Insbesondere die Dichte des Kupfers hat Auswirkungen auf die Leitfähigkeit, aber auch die mechanischen Eigenschaften, wie Härte oder Verschleißfestigkeit. Stertz betont die Vorzüge dieses AM-Verfahrens gegenüber konventionellen Fertigungsstrategien. Die hohe Geometriefreiheit erlaubt innenliegende Kanäle oder Hinterschneidungen. Zudem bionische Strukturen zur Gewichts- und Materialeinsparung, die die Funktionalität erhöhen, gleichzeitig aber auch Kosteneinsparungen ermöglichen. Wie bei jedem AM-Verfahren ermöglicht CEM von AIM3D das Einsparen von Zerspanungs- und Werkzeugkosten als nicht-formgebundenes Verfahren. Allerdings gilt auch: Das CEM-Verfahren ist für sehr einfache Geometrien und für hohe Stückzahlen eher ungeeignet, da dort bekannte Serienprozesse wie MIM vorteilhafter sind.

Markttrends im Metall-3D-Druck

Christian Stertz, Projektleiter Anlagentechnik bei Schunk sieht AM-Potenziale in sehr unterschiedlichen Marktsegmenten: nicht nur in der Mobility mit Luft und Raumfahrt, Automotive, Bahn oder Schiffsbau, für Antriebteile bis hin zu Designbauteilen auch im Reengineering, sondern auch in der Medizintechnik mit Prothesen und Instrumenten, im Maschinen- und Anlagenbau, Werkzeugbau, in der Bauindustrie, Schmuck und Konsumgüter.

Christian Stertz meint: „Mit der Weiterentwicklung der Kundenanfragen hinsichtlich neuer Design- und Werkstoffmöglichkeiten wie z.B. bionisches Design wird sich auch die 3D-Druck-Technologienpalette entwickeln. Es ist abzusehen, dass sich bestimmte Applikationen von bestimmten AM-Verfahren bevorzugt gut bearbeiten lassen. Auch Nischen werden entstehen und ein Wettbewerb zur Nischenverdrängung von ,Technologieplatzhirschen´ wird die Technologieentwicklung weiter vorantreiben.“