Reinkupfer und CuCrZr additiv fertigen: Grün-/Blaulaser & DED-Verfahren
Ingenieur-Leitfaden zum 3D-Druck von Kupfer und Kupferlegierungen: Wellenlängen-Problematik (IR vs. Grün/Blau), Meltio W-LMD und CuCrZr für Wärmetauscher.
Reinkupfer (Cu-ETP, OFE-Cu) und aushärtbare Kupferlegierungen wie CuCrZr sind Schlüsselwerkstoffe für Wärmetauscher, Raketendüsen, Induktoren und Komponenten der Elektromobilität. Jahrzehntelang galt Kupfer im 3D-Druck als unlösbare Herausforderung: Standard-Infrarotlaser (1.064 nm) werden zu über 95 % an der Kupferoberfläche reflektiert. Erst neue Laserquellen (grüne Laser mit 515 nm, blaue Laser mit 450 nm) sowie koaxiale Mehrlaser-DED-Systeme machen die additive Fertigung von Kupfer industriell beherrschbar.
- Grüne (515 nm) und blaue (450 nm) Laserquellen lösen das 95%-Reflexionsproblem herkömmlicher Infrarotlaser.
- Reinkupfer Cu-ETP erreicht 100% IACS (58 MS/m) Leitfähigkeit; CuCrZr kombiniert 80% IACS mit >500 MPa Zugfestigkeit.
- Koaxiale Draht-Laser-DED-Systeme (Meltio Multi-Laser) ermöglichen porenfreie Großstrukturen bei 100% Feedstock-Nutzung.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Parameter | Reinkupfer (Cu-ETP / OFE) | CuCrZr (C18150) | CuNiSi (Corson) |
|---|---|---|---|
| Laser-Absorption bei 1.064 nm (IR) | ~ 3 - 5 % (95 % Reflexion!) | ~ 8 - 12 % | ~ 10 - 15 % |
| Laser-Absorption bei 450 nm (Blau) | ~ 60 - 65 % (15-fach höher) | ~ 65 - 70 % | ~ 70 % |
| Laser-Absorption bei 515 nm (Grün) | ~ 40 - 45 % (10-fach höher) | ~ 50 % | ~ 55 % |
| Elektrische Leitfähigkeit | 58 MS/m (100 % IACS) | 45 - 50 MS/m (80 % IACS) | 25 - 35 MS/m |
| Wärmeleitfähigkeit | 390 - 400 W/(m·K) | 320 - 350 W/(m·K) | 160 - 200 W/(m·K) |
| Zugfestigkeit Rm (wärmebehandelt) | 200 - 260 MPa (weich) | 450 - 550 MPa (hochfest) | 600 - 750 MPa |
| Verfahrenseignung | Grün-/Blau-LPBF, Draht-DED (Meltio) | LPBF (IR möglich ab 1 kW), DED | LPBF, DED |
Die Physik der Absorption: Warum Standardlaser an Kupfer scheitern
Bei der Wellenlänge konventioneller Faserlaser (1.064 nm) reflektiert festes Kupfer ca. 95 % der Laserstrahlung wie ein Spiegel. Um überhaupt ein Schmelzbad zu erzeugen, muss mit extrem hohen Laserleistungen gearbeitet werden. Sobald das Kupfer jedoch schmilzt, springt die Absorption sprunghaft an: Es kommt zu explosionsartigen Dampfblasen, massivem Spritzerwurf und unkontrollierbaren Prozessinstabilitäten. Grüne (515 nm) und blaue Diodenlaser (450 nm) werden dagegen direkt zu 40 bis 65 % im Festkörper absorbiert, was ein ruhiges, schmelzstabiles Schweißen ohne Prozesskollaps ermöglicht.
Draht-Laser-DED mit Kupfer: Die Meltio Multi-Laser-Lösung
In der DED-Technologie ermöglicht der Einsatz von Schweißdrähten (CuCrZr, Reinkupfer) erhebliche Kostenvorteile gegenüber teurem, leicht oxidierendem Kupferpulver. Systeme mit koaxialem Mehrfach-Laserkopf und optimierter Wellenlängenüberlagerung können Kupferdrähte mit bis zu 100 % Materialausnutzung abscheiden. Dadurch lassen sich großvolumige Kühlkörper oder Induktionsspulen mit Aufbauraten von 500 bis 800 g/h wirtschaftlich herstellen.
CuCrZr vs. Reinkupfer: Festigkeit versus Leitfähigkeit
Reinkupfer besitzt zwar die maximale elektrische und thermische Leitfähigkeit (100 % IACS / 400 W/mK), ist jedoch mechanisch sehr weich (Streckgrenze < 100 MPa). Für mechanisch beanspruchte Strukturteile (z.B. Raketenbrennkammern mit integrierten Kühlkanälen) ist CuCrZr die Standardlegierung: Durch Aushärtung (Chrom- und Zirkon-Präzipitate) steigt die Streckgrenze auf über 400 MPa bei Erhalt von über 80 % der Leitfähigkeit.
Wärmebehandlung von additiv gefertigtem CuCrZr
Direkt nach dem Drucken liegen Chrom und Zirkon durch die schnelle Erstarrung zwangsgelöst in der Kupfermatrix vor. Das Bauteil besitzt hohe Duktilität, aber mäßige Leitfähigkeit (~40-50 % IACS). Erst durch ein Lösungsglühen bei 950 °C mit Wasserabkühlung und anschließendes künstliches Altern bei 480 °C für 4 Stunden scheiden sich feinste Phasen aus, welche Festigkeit und Leitfähigkeit simultan auf Maximalniveau bringen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Kann man Reinkupfer auf einem herkömmlichen 400W-IR-Drucker verarbeiten?
Für welche Anwendungen wird CuCrZr 3D-gedruckt?
Welches Dichtenniveau wird bei Kupfer im 3D-Druck erreicht?
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