Grünlaser im Metall-3D-Druck: Reinkupfer & Edelmetalle schweißen
Grünlaser (515 nm) für den 3D-Druck von Reinkupfer (Cu-ETP, Cu-OF) und Gold: Bis zu 40 % Absorptionsgrad, dichte Bauteile (> 99.9 %) und spritzerfreies LPBF.
Reines Kupfer besitzt bei der Standardwellenlänge von Infrarotlasern (1.064 nm) eine extrem geringe Absorptionsrate von unter 5 % – über 95 % der Laserstrahlung werden reflektiert, was zu Schmelzbadinstabilitäten, Prozessabbrüchen und Laserschäden führt. Der Einsatz von frequenzverdoppelten Grünlasern (515 nm) steigert die optische Absorption im kalten Kupferpulver auf über 40 %. Dies ermöglicht stabiles, reproduzierbares Schmelzen von sauerstofffreiem Reinkupfer mit Bauteildichten über 99.9 % und elektrischen Leitfähigkeiten von 100 % IACS.
- Absorption im Kupferpulver steigt von < 5 % (IR) auf über 40 % bei 515 nm Grünlaser-Wellenlänge.
- Erreicht elektrische Leitfähigkeiten von über 58 MS/m (100 % IACS) und Wärmeleitfähigkeiten > 390 W/(m*K).
- Keine Gefahr optischer Rückreflexionen in die Laserquelle, spritzerfreier Schmelzprozess ohne Keyhole-Ausreißer.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Kriterium | Grünlaser LPBF (515 nm) | Infrarot-Laser LPBF (1.064 nm) | Elektronenstrahl EBM |
|---|---|---|---|
| Absorption Reinkupfer | 40 - 45 % | 2 - 5 % | Sehr hoch (> 80 %) |
| Prozessfenster | Breit & stabil | Extrem eng (hohe Instabilität) | Stabil (unter Vakuum) |
| Detailauflösung | Sehr hoch (Fokus ~40 µm) | Moderat (Fokus ~80 µm) | Geringer (Fokus ~200 µm) |
| Schmelzbad-Spritzer | Nahezu eliminiert | Extrem stark | Gering |
| Pulver-Anforderung | Cu-OF / Cu-ETP (15-45 µm) | Hochlegiert (CuCr1Zr) | Grobpulver (45-105 µm) |
Die optische Physik der Absorptionskante von Kupfer
Metalle besitzen materialspezifische Bandstrukturen, die ihre optische Reflektivität bestimmen. Bei Kupfer fällt die Reflexion unterhalb von 600 nm drastisch ab. Während ein Infrarotstrahl zunächst kaum einkoppelt und bei plötzlichem Schmelzen durch den Phasensprung explosionsartig überhitzt (was zu extremem Spritzen führt), koppelt der 515 nm Grünlaser sanft und kontinuierlich ein. Das Schmelzbad bleibt laminar und ruhig.
Anwendungsfelder: Elektromobilität, Induktoren & Wärmetauscher
Mit Grünlasern gedruckte Reinkupferbauteile finden primären Einsatz in der Leistungselektronik: Hochkompakte Hairpin-Statoren für Traktionsmotoren, flüssigkeitsgekühlte Induktionsspulen mit innenliegenden Kühlkanälen für die Härtetechnik sowie Hochleistungs-Wärmesenken für Rechenzentren und Halbleiter-Packaging.
Verarbeitung von Edelmetallen (Gold, Platin, Silber)
Ähnlich wie Kupfer weisen auch Reingold (Au) und Silber (Ag) im Infrarotbereich extreme Reflexionswerte auf. Mit dem Grünlaser lassen sich Schmuckteile, Dental-Inlays und chemische Katalysatorgitter aus Edelmetallen porendicht und ohne Materialverlust durch Spritzerabbrand additiv herstellen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Warum reicht eine höhere Laserleistung beim IR-Laser nicht aus?
Welche Festigkeit erreicht 3D-gedrucktes Reinkupfer?
Können herkömmliche LPBF-Anlagen auf Grünlaser umgerüstet werden?
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