Kupfer aus der additiven Fertigung wird zunehmend in allen additiven Fertigungsverfahren eingesetzt und ermöglicht die Herstellung hochleitfähiger Teile mit nützlichen mechanischen Eigenschaften. Als eine der wenigen Metalloptionen in den Verfahren Pulverbettschmelzen, Bindemittelstrahlen und gerichtete Energieabscheidung verspricht das Verständnis der Schlüsseleigenschaften des Pulvers ein Wachstum der Anwendungen.
Übersicht von Additive Manufacturing Kupfer
Additive Fertigung mit Kupferversprechen:
- Elektrische und thermische Leitfähigkeit übertrifft andere Metalle
- Dichte ähnlich wie bei herkömmlichen technischen Legierungen
- Verbesserte Duktilität gegenüber Materialien wie Stahl oder Nickel
- Auswahl an Legierungen zur Abstimmung der Eigenschaften
- Antimikrobielles Verhalten zur Sicherung des hygienischen Gebrauchs
- Recyclingfähigkeit unterstützt Nachhaltigkeitsziele
Teile mit feinen Details, komplexen Geometrien und leichten, konformen Kanälen werden durch optimale Legierungs- und Prozessauswahl mit Eigenschaften hergestellt, die auf thermische, elektrische oder mechanische Belastungen zugeschnitten sind.
Potenzielle Anwendungen umfassen Elektronikkühlung, Hochfrequenzkomponenten, Gussformen mit konformer Kühlung und kundenspezifische Implantate. In dem Maße, in dem additive Plattformen die Produktionsmengen von Kupferwerkstoffen erhöhen, wird die Akzeptanz in allen Sektoren zunehmen.
Arten von Kupferpulver
Je nach Herstellungsverfahren, Eigenschaften und Legierungsfamilie sind verschiedene Arten von Pulverrohstoffen erhältlich:
| Typ | Beschreibung | Partikelgröße | Morphologie | Scheinbare Dichte |
|---|---|---|---|---|
| Zerstäubtes Gas | Mit Inertgas zerstäubtes elementares Kupfer | 20-63 μm | Abgerundet, kugelförmig | 3-4 g/ccm |
| Zerstäubtes Wasser | Wasser gebrochene Kupferpartikel | 45-150 μm | Unregelmäßig, porös | ∼2 g/cc |
| Elektrolytische | Kupferpulver aus elektrolytischen Verfahren | 5-200 μm | Flockig, schwammig | 1-3 g/cc |
| Legierungspulver | Vorlegiertes gasverdüstes CuCr1Zr, CuCo2Be usw. | 20-45 μm | Nahezu sphärisch | 3-4 g/ccm |
Gaszerstäubte und legierte Pulver haben Fließfähigkeit und Formeigenschaften, die sich für AM-Anforderungen eignen.
Additive Manufacturing Kupfer Zusammensetzung
Verschiedene Kupferwerkstoffoptionen für Additive:
| Material | Legierungszusätze | Merkmale |
|---|---|---|
| Reines Kupfer | – | Hohe Leitfähigkeit, weich |
| Messing | 15-45% Zn | Stärkere, maschinell bearbeitbare Legierung |
| Bronze | 5-12% Sn, | Verbesserte Festigkeit bei einigen Bleibronzen |
| Kupfer-Nickel | 10-30% Ni | Kontrollierte Ausdehnung, gutes Korrosionsverhalten |
Spurenelemente wie Pb, Fe, Sb tragen zur Veränderung der Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit bei. Spezifische Zusammensetzungen werden auf die gewünschten elektrischen, thermischen und mechanischen Leistungsvarianten abgestimmt.
Eigenschaften der additiven Fertigung von Kupfer
Neuartige Kupfer-AM-Fähigkeiten bauen auf nützlichen physikalischen und funktionalen Eigenschaften auf:
Physikalische Eigenschaften
| Eigentum | Reines Kupfer | Wert | Einheit |
|---|---|---|---|
| Dichte | – | 8.9 | g/cm3 |
| Schmelzpunkt | – | 1085 | °C |
| Wärmeleitfähigkeit | – | 385 | W/m-K |
| Elektrischer spezifischer Widerstand | – | 1,72 x 10-6 | ohm-cm |
| CTE | – | ∼17 | μm/m-K |
Die Dichte liegt zwischen Aluminium und Baustahl, während die außergewöhnliche Leitfähigkeit alternative Metalloptionen übertrifft.
Mechanische Eigenschaften
Variiert mit Legierungszusätzen nach der Wärmebehandlung:
| Eigentum | Streckgrenze | Zugfestigkeit | Dehnung | Härte |
|---|---|---|---|---|
| Reines Kupfer | ∼215 MPa | ∼280 MPa | ∼35% | ∼60 HB |
| Messing | ∼450 MPa | ∼650 MPa | ∼35% | ∼150 HB |
| Bronze | ∼275 MPa | ∼480 MPa | ∼15% | ∼120 HB |
| Kupfer-Nickel | ∼550 MPa | ∼750 MPa | ∼30% | ∼180 HB |
Funktionale Attribute
| Parameter | Bewertung | Einheiten |
|---|---|---|
| Elektrische Leitfähigkeit | Ausgezeichnet | %IACS |
| Wärmeleitfähigkeit | Ausgezeichnet | W/m-K |
| Korrosionsbeständigkeit | Mäßig | – |
| Biofunktionalität | Antimikrobielle Wirksamkeit | – |
| Widerstand gegen thermische Ermüdung | Gut | Zyklen |
| Dämpfende Eigenschaften | Sehr gut | – |
Diese Eigenschaften helfen dabei, elektrische Kontakte, Leadframes, Wärmetauscher usw. mit Hilfe der AM-Flexibilität zu gestalten.
Produktion von Additive Manufacturing Kupfer
Kommerzieller Aufbau der Rohstoffpulverproduktion:
1. Schmelzen - Reine Kupferkathode wird in kontrollierter Atmosphäre induktiv geschmolzen
2. Zerstäubung - Hochdruck-Inertgas bricht den Schmelzestrom in feine Tröpfchen auf
3. Kühlung und Sammlung des Pulvers - Formgebung und Verfestigung von Pulverpartikeln
4. Siebung - Mehrstufige Klassifizierung führt zu anwendungsspezifischen Fraktionen
5. Verpackung - Versiegelte Behälter mit Inertgasrückhaltung gewährleisten Lagerstabilität
Speziallegierungen werden vor der Verdüsung im Vakuum induktiv geschmolzen. Auch das Schrottrecycling liefert geeignetes Pulver.
Additive Manufacturing Kupfer Anwendungen
Neu entstehende Anwendungsbereiche, die von Kupfer-AM-Fähigkeiten profitieren:
Elektronik
Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit unterstützt die Wärmeabfuhr aus den Gehäusen und minimiert gleichzeitig Ausdehnungsprobleme. Merkmale wie anpassbare gedruckte Kühlkörper oder Abschirmungen werden möglich.
Elektrische Komponenten
Der niedrige spezifische Widerstand ermöglicht leichte Induktoren, Stromschienen und RF-Abschirmungen, die durch additive Fertigung hergestellt werden.
Verschleißteile
Verbesserungen der Oberflächenrauheit durch AM unterstützen die Abriebfestigkeit bei Anwendungen wie Lagern, Buchsen usw.
Automobilindustrie
Kombinierte Festigkeit-Duktilität begünstigt dünnwandige Wärmetauschergeometrien, die für das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugbatterien benötigt werden.
Luft- und Raumfahrt
Die Erkenntnisse aus der Ummantelung von Raketentriebwerkskammern lassen sich auf die Wärmeabfuhrsysteme von Flugzeugen, wie z. B. Dampfkammern, übertragen.
Biomedizinische
Antimikrobielles Verhalten begünstigt maßgeschneiderte Implantate und Prothesen, die auf biologische Schnittstellen zugeschnitten sind.
Additive Manufacturing Kupfer Spezifikationen
Wichtige Pulvereigenschaften und Metriken rund um Kupfer für AM:
Klassen
Gemäß MPIF-Norm 115 für Pulver zur additiven Fertigung:
| Typ | Größenbereich | Partikelform | Scheinbare Dichte | Durchflussmenge |
|---|---|---|---|---|
| Ultrafeine | 15-25 μm | Abgerundet | ≥ 2,5 g/cc | Messe |
| Sehr gut | 25-45 μm | Abgerundet | ≥ 3 g/cc | Gut |
| Fein | 45-75 μm | Abgerundet | ≥ 3,5 g/cc | Gut |
| Relativ grob | 75-100 μm | Abgerundet | ≥ 4 g/cc | Sehr gut |
Kleinere Partikelgrößen bieten eine bessere Auflösung und Oberflächengüte, während größere Partikel zu Einsparungen bei der Baurate führen.
Normen der additiven Fertigung von Kupfer
Zu den wichtigsten Pulvertestprotokollen gehören:
- MPIF 115 - Additive Fertigung für pulvermetallurgische Strukturteile
- ASTM B243 - Standardprüfverfahren für pulvermetallurgische Kupfer- und Kupferlegierungspulver und -kompakte
- ISO 4490 - Bestimmung der Teilchengrößenverteilung von Metallpulvern durch Laserbeugung
- BSI PAS 139 - Spezifikation für additiv gefertigte Teile aus Metallen
Diese helfen dabei, die Qualität des Ausgangsmaterials zu messen, um eine optimale Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der gedruckten Teile zu gewährleisten.
Additive Manufacturing Kupfer Preisgestaltung
Repräsentative Preise, 2023:
| Typ | Preis |
|---|---|
| Zerstäubtes Gas | $12-18 pro kg |
| Wasser zerstäubt | $8-12 pro kg |
| Speziallegierung | $30-50 pro kg |
Eine höhere Dichteverteilung, kleinere und gleichmäßige Partikel haben Vorrang vor unregelmäßigen Morphologien und groben Größen.
Pro und Kontra
Vorteile
- Sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit
- Nützliche Kombination von Festigkeit und Duktilität
- Antimikrobielle Oberflächeneigenschaften
- Ausgezeichnete Biofunktionalität und Biokompatibilität
- Formbeständigkeit bei verschiedenen Betriebstemperaturen
- Schnellere Wärmeübertragung von dünnen Abschnitten
- Geeignet für den Kontakt mit Lebensmitteln, Flüssigkeiten und Gasen
Benachteiligungen
- Geringere Hochtemperaturfähigkeit als Eisenlegierungen
- Geringere Härte als Eisen-, Kobalt- oder Nickellegierungen
- Schwer im Vergleich zu Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium
- Höhere Materialkosten als bei Gegenstücken aus Stahl
- Empfindlich gegen Wasserstoffversprödung unter bestimmten Bedingungen
Das Verständnis der einzigartigen Stärken und Grenzen verspricht eine optimale Anwendung in allen Branchen, in denen Kupfer einen Wert darstellt.
Additive Manufacturing Kupfer Anbieter
Weltweit führende Anbieter von Kupferpulver für die additive Fertigung:
| Unternehmen | Standort des Hauptquartiers |
|---|---|
| Sandvik Fischadler | UK |
| Herstellung von Metallpulvern | UK |
| Höganäs | Schweden |
| ECKA Granulat | Deutschland |
| Kymera International | USA |
| Shanghai CNPC | China |
Diese etablierten Metallpulverhersteller bedienen nun die wachsende Kupfernachfrage der industriellen 3D-Druckmärkte mit maßgeschneiderten Qualitäten. Maßgeschneiderte Lohnverarbeitungsdienste erhöhen die Skalierbarkeit der Kapazitäten für Kupfer-AM-Pulver-Rohmaterial.
FAQs
| Frage | Antwort |
|---|---|
| Was versteht man unter der additiven Fertigung von Kupfer? | Aufbau von Bauteilen aus metallischem Kupferpulver im Rahmen des schichtweisen Pulverbettschmelzens oder der gerichteten Energieabscheidung |
| Welche verschiedenen Arten von Kupferpulver gibt es für AM? | Gasatomisiert, wasseratomisiert und elektrolytisch sowie vorlegierte Messing- und Bronzepulver |
| Warum Kupfermaterial für die additive Fertigung? | Hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit unter Beibehaltung einer brauchbaren Festigkeit |
| Welche Partikelgröße von Kupferpulver ist für Laser-AM-Prozesse optimal? | Typischerweise die sehr feine Qualität mit einer Größe von 25 bis 45 Mikrometern |
| Welche Nachbearbeitungsschritte sind bei frisch gedruckten Kupferbauteilen erforderlich? | Durch heißisostatisches Pressen wird eine Dichte von ∼100% erreicht, gefolgt von einer Wärmebehandlung für ein optimales Gefüge. |
| Gibt es UNS-Normen für Kupfersorten für die additive Fertigung? | Ja, UNS C10100 für reines Kupfer und andere wie UNS C87850 für CuCr1Zr-Legierungen. |
| Wie lässt sich die Oberflächengüte von additiv gefertigten Kupferteilen verbessern? | Kombination von feinen Pulvergrößen, optimierten Schichtdicken, Nachbearbeitung und Galvanisierung |
| Gibt es besondere Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit Kupferpulver? | Ja, geeignete Schutzausrüstung für das Personal und Maßnahmen zur Vermeidung von Feinstaub in der Luft empfohlen |
Zusammenfassung
Die additive Fertigung erweitert die Produktionsflexibilität für Kupferbauteile erheblich, ermöglicht neue Geometrien und leichte multifunktionale Baugruppen in den Bereichen Elektronik, Elektrik und Wärmemanagement. Da die Qualität des Pulvers eine zuverlässige mechanische Leistung gewährleistet, die der konventioneller Verfahren gleichkommt, werden größere, unternehmenskritische Teile die AM-Produktivität im kommerziellen Maßstab übernehmen.
Neue Legierungsvarianten, die aus vielversprechenden CuCrZr- und CuCo-Fähigkeiten extrapoliert werden, weisen auf unerforschte Eigenschaftskombinationen für Raumfahrtanwendungen hin. Hochwertige Sektoren wie die Medizintechnik nutzen die Biofunktionalität für maßgeschneiderte Wärmetauscher und Implantate durch AM-Konstruktion. Das allgegenwärtige Kupfer betritt somit ein neues Terrain auf der Grundlage der Vielseitigkeit des Pulverbettschmelzens und der gerichteten Energieabscheidung, da die Versorgungsunternehmen die Formkomplexität mit nützlichen Leitfähigkeiten nutzen.
