Wärmetauscher im 3D-Druck: Reines Kupfer vs. Aluminium

Kupfer: Der König der Wärmeleitfähigkeit

Die Herstellung kompakter, hochkomplexer Wärmetauscher gehört zu den Paradedisziplinen des Metall-3D-Drucks. Mathematisch optimierte Gitterstrukturen (wie Triply Periodic Minimal Surfaces - TPMS, z. B. Gyroide) maximieren die Oberfläche bei minimalem Volumen und Druckabfall. Doch das Design ist nur die halbe Miete – die Materialwahl entscheidet über den finalen Wirkungsgrad.

Historisch gesehen war Aluminium (AlSi10Mg) das Material der Wahl, da es sich hervorragend mit Infrarotlasern (1064 nm) drucken lässt. Aluminium bietet eine solide Wärmeleitfähigkeit von etwa 130 bis 160 W/(m·K) nach entsprechender Wärmebehandlung und besticht durch sein geringes spezifisches Gewicht, was es für Luft- und Raumfahrtanwendungen prädestiniert.

Der Durchbruch von Reinkupfer im AM

Reines Kupfer bietet eine überragende Wärmeleitfähigkeit von ca. 390 bis 400 W/(m·K) – mehr als doppelt so viel wie Aluminium. Das Problem: Reines Kupfer reflektiert über 90 % der Laserenergie von Standard-Infrarotlasern und leitet die restliche absorbierte Wärme sofort ab. Ein stabiles Schmelzbad war lange Zeit nahezu unmöglich zu realisieren.

Erst die jüngste Einführung von Maschinen mit Grünen Lasern (515 nm) oder Blauen Lasern (450 nm) brachte den Durchbruch. Bei diesen Wellenlängen absorbiert Kupfer die Laserenergie extrem effizient. Dadurch lassen sich nun hochdichte Reinkupfer-Wärmetauscher drucken, die thermisch allen anderen AM-Metallen weit überlegen sind.

Aluminium oder Kupfer – was wählen?

• AlSi10Mg: Die Wahl für Anwendungen, bei denen Leichtbau oberste Priorität hat (z. B. Drohnen, Aerospace) und die thermischen Anforderungen moderat sind. Zudem ist der Druckprozess weitaus etablierter und kostengünstiger.
• Reinkupfer / CuCr1Zr: Zwingend erforderlich für High-End-Anwendungen mit extremen thermischen Lasten, wie beispielsweise Kühlkörper für Hochleistungselektronik, CPU-Wasserkühler im Serverbereich oder Brennkammern für Raketentriebwerke.

Der Trend geht klar in Richtung spezieller Kupferlegierungen. Wer maximale Effizienz sucht, für den führt am Kupfer-Druck mit grünen oder blauen Lasern kein Weg mehr vorbei.