Hochleistungskühlkörper aus dem 3D-Drucker

Additive Fertigungs­verfahren erschließen immer mehr Anwendungsgebiete und werden zunehmend relevanter für die Industrie. Gemeinsam mit dem Kupfer­halbzeug­hersteller KME erforscht das Fraunhofer-Institut für Mikro­struktur von Werk­stoffen und Systemen künftig den Einsatz von additiven Fertigungs­technologien für hoch­wärme­leit­fähige Bauteile aus Kupfer und Kupfer­legierungen. Dadurch sollen neue Markt­segmente im Bereich der Kühl­elemente für die Leistungs­elektronik erschlossen werden.

Kupfer besitzt eine sehr hohe Wärme­leit­fähigkeit, die nur von Silber über­troffen wird. Da Silber als Werkstoff aufgrund seines hohen Preises nur für Spezial­fälle zur Anwendung kommt, setzen die Projekt­partner im Gemeinschafts­projekt „Techno­logie- und Material­entwicklung zur additiven Fertigung komplexer hoch­wärme­leit­fähiger Cu-Bauteile“ CuAdd auf Kupfer und dessen Legierungen. Im Projekt werden Verfahren der additiven Fertigung für metallische Bauteile bewertet, darunter Fused Deposition Modeling, Binder Jetting, Nano Particle Jetting und Laser-Powder-Bed-Fusion. Bei diesen Verfahren 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.

Das favorisierte Verfahren der Forscher ist das Laser-Powder-Bed-Fusion, da es bisher das erfolg­reichste additive Fertigungs­verfahren zur Prototypen-Fertigung 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 tausend Grad Celsius 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. 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“, erklärt Olaf Schwedler, Leiter Prozess­entwicklung am Standort der KME in Hettstedt.

Im Gemeinschafts­projekt werden die Kupfer­sorten Cu-ETP, Cu-OFE bzw. Cu-HCP und die Kupfer­legierungen CuCrZr und CuNi₂SiCr getestet, wobei gleich­zeitig die Kompati­bilität unter­schied­licher Polymer­systeme wie Poly­milch­säuren und Poly­amide mit Kupfer­systemen geprüft wird.

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

Fh.-IMWS / RK

Weitere Infos

• CuAdd – Technologie- und Materialentwicklung zur additiven Fertigung komplexer hochwärmeleitfähiger Cu-Bauteile, Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen, Halle (Saale)
• KME Mansfeld GmbH, Hettstedt