Wie Kupfer, Diamanten und Strahlformung den 3D-Druck revolutionieren

15. Mai 2025 | Lesezeit: 5 min

 

In einer fesselnden Folge des Additive Snack Podcasts führte Gastgeber Fabian Alefeld eine ausführliche Diskussion mit drei Schlüsselfiguren der Universität Wolverhampton, Großbritannien: Professor Arun Arjunan, AM Commercialization Manager John Robinson und Knowledge Exchange Associate Manpreet Singh.

Das Gespräch beleuchtete die beeindruckende 25-jährige Entwicklung der Universität im Bereich der additiven Fertigung (AM) und zeigte die bahnbrechende Forschung, die bedeutende Zusammenarbeit mit der Industrie und das Engagement für die Entwicklung von Arbeitskräften.

Ein Erbe der Innovation: 25 Jahre Laser-Pulverbett-Fusion

Die Universität Wolverhampton ist eine der ersten akademischen Einrichtungen, die sich mit dem Laser-Pulver-Bett-Fusionsverfahren befasst und 1999 damit begonnen hat. Professor Arun Arjunan erläuterte die umfangreiche Geschichte der Universität, die sich in erster Linie auf Metalle konzentriert, und ihr entwickeltes Fachwissen bei der Entwicklung von Prozessparametern für anspruchsvolle Materialien. Zu den ersten Errungenschaften gehören Pionierarbeiten beim Drucken von Titan für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Motorsport.

John Robinson, dessen eigene Reise mit der Universität 2009 als Student begann, teilte seine praktischen Erfahrungen mit einer Reihe von EOS-Geräten, von der frühen EOS M 250 bis zur EOS M 290 und dem neuen AMCM NLight-System.

Er hob die Rolle der Universität hervor, die als eine der ersten Titan bearbeitete, was spezielle Anpassungen für die Maschine EOS M 270 erforderte. Robinsons beruflicher Werdegang, der Stationen in der Industrie bei Jaguar Land Rover und Cookson Gold (Entwicklung von Laserparametern für Edelmetalle) umfasste, führte ihn schließlich zurück nach Wolverhampton, wo er sich auf die Entwicklung von Parametern für Kupfer und Silber konzentrierte, Materialien, die für ihre schwierige Reflektivität bei Infrarotlasern bekannt sind.

Telford Campus, Ingenieurwesen

Grenzen verschieben: Von Kupfer zu Kupfer-Diamant-Verbundwerkstoffen

Wie ein roter Faden zog sich durch die Diskussion die bahnbrechende Arbeit der Universität mit hochleitenden Materialien, insbesondere Kupfer.

John Robinsons Diplomarbeit über Kupfer-Silber-Legierungen ermöglichte erstmals das Drucken von Kupfer mit weniger als 400 Watt. Dieses Fachwissen erwies sich in einer Wissenstransferpartnerschaft mit AceOn, einem Batteriehersteller, als unschätzbar wertvoll. Das Universitätsteam entwickelte additiv gefertigte Kupferkühlkörper mit dreifach periodischen Minimaloberflächen (TPMS). Diese optimierten Kühlkörper verbesserten das Wärmemanagement von Batteriepacks erheblich, insbesondere in Umgebungen mit hohen Umgebungstemperaturen.

Das Gespräch verlagerte sich dann auf ein noch neuartigeres Material: einen Kupfer-Diamant-Verbundstoff. John Robinson erläuterte, dass diese Entwicklung, die derzeit zum Patent angemeldet ist, aus einer Zusammenarbeit mit Diamond Hard Surfaces hervorgegangen ist, einem Unternehmen, das sich auf Diamantbeschichtungsverfahren spezialisiert hat.

Diamant hat die halbe Dichte von Kupfer, ist aber viermal wärmeleitfähiger und bietet ein immenses Potenzial für leichte, leistungsstarke Wärmemanagementlösungen in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen. Entscheidend ist, dass Diamant elektrisch inert ist, was bedeutet, dass durch die Steuerung des Verhältnisses von Kupfer zu Diamant sowohl die thermischen als auch die elektrischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden können, z. B. als Isolatoren für elektronische Geräte, die dennoch eine effiziente Wärmeableitung erfordern.

Bemerkenswerterweise, so Robinson, ist dieses Verbundmaterial nicht so teuer wie atomisiertes Kupfer und bietet eine bessere Wärmeleitfähigkeit und interessante elektrische Eigenschaften bei potenziell niedrigeren Kosten und geringerem Gewicht. Professor Arjunan betonte, dass solche Materialien nicht nur Alternativen sind, sondern Lösungen für grundlegende Hindernisse in der Technologieentwicklung, die kleinere, leichtere und leistungsfähigere elektronische Geräte ermöglichen.

Das Center of Excellence: Die Zukunft von AM gestalten

Das vor kurzem gegründete Exzellenzzentrum für additive Fertigung an der Universität Wolverhampton ist bereit, die wichtigsten Grenzen der derzeitigen AM-Technologie zu überwinden. Der technologische Schwerpunkt liegt auf dem "Shape Laser Powder Bed Fusion" (SLPBF), bei dem innovative NLight-Laser eingesetzt werden, die das Strahlprofil von einem einzelnen Punkt bis zu einer Ringform variieren können.

Dies ist vergleichbar mit der Verwendung eines kleinen Pinsels für die Ecken und einer Walze für große Flächen beim Lackieren. So lassen sich bei Bedarf feine Details und bei größeren Abschnitten deutlich höhere Auftragsgeschwindigkeiten erzielen (potenziell eine Steigerung des Punktdurchmessers um 200 %). Das Zentrum will seine bewährte Methodik zur Entwicklung von Prozessparametern erweitern und neben Qualität und Dichte auch Produktivität und Kosten als Schlüsselvariablen einbeziehen.

In materieller Hinsicht wird sich das Zentrum auf hochleitfähige Materialien konzentrieren und dabei den Erfolg des Kupferdrucks mit niedriger Wattzahl nutzen. Eine zweite Säule wird der Multimaterialdruck sein, bei dem leitfähige Metalle mit Isolatoren kombiniert werden, wobei Kupfer-Diamant ein hervorragendes Beispiel ist. Die dritte Säule konzentriert sich auf thermoelektrische Materialien. Wenn diese Materialien additiv hergestellt werden können und die Designfreiheit ausgenutzt wird, könnten sie für die Energierückgewinnung oder fortschrittliche Wärmetauscher in Frage kommen und sich auf die nächste Generation von Computern, Verteidigungssystemen und Elektrofahrzeugen auswirken, indem sie kleinere, leistungsstärkere Elektromotoren ermöglichen, bei denen die Wärmeableitung der begrenzende Faktor ist.

Industrielle Auswirkungen und Entwicklung der Arbeitskräfte

Manpreet Singh betonte das Engagement der Universität, ihre Forschung zu kommerzialisieren und der Industrie Zugang zu AM-Systemen zu verschaffen. Sie bemüht sich aktiv um Partnerschaften für den Wissensaustausch und die Zusammenarbeit mit der lokalen und nationalen Industrie in Bereichen wie Automobilbau, Batterieherstellung und Gesundheitswesen (z. B. patientenspezifische Implantate aus Kobalt-Chrom mit TPMS-Strukturen).

Die Universität hat die Qualifikationslücke im Bereich der additiven Fertigung erkannt und bietet akademische Kurse und Weiterbildungskurse an. Diese Programme, die in Zusammenarbeit mit Unternehmen wie EOS Additive Minds entwickelt wurden, richten sich an verschiedene Qualifikationsniveaus, von Anfängern ohne AM-Hintergrund bis hin zu denjenigen, die eine praktische Ausbildung an fortgeschrittenen Systemen wie den EOS M 290 Maschinen suchen.

Diese Initiative zielt darauf ab, die Arbeitskräfte besser zu qualifizieren und der Industrie das Vertrauen zu geben, AM einzuführen. John Robinson fügte hinzu, dass AM stark in andere Studiengänge integriert ist, wobei derzeit Gespräche über einen AM-spezifischen Masterstudiengang geführt werden. Auch die Doktorandenforschung ist eng mit diesen fortschrittlichen Projekten verknüpft, darunter Studenten, die an dem Kupfer-Diamant-Material arbeiten, und geplante Doktorarbeiten zur Entwicklung von Formlasern für Tantal und Molybdän.

Die umfassendere Vision: AM für eine nachhaltige und widerstandsfähige Zukunft

In der Diskussion ging es auch um die Rolle von AM in Bezug auf Nachhaltigkeit, geringes Gewicht und das Potenzial für eine umverteilte Fertigung. Professor Arjunan hob hervor, wie durch AM Metamaterialien mit gezielter Leistung im Mikro-/Submikrometerbereich geschaffen werden können, was für die nächste Generation von Gesundheitsgeräten wie patientenspezifische Implantate, die die Leistung natürlicher Knochen nachahmen, entscheidend ist. Er stellte sich AM auch als eine Technologie vor, die in der Lage ist, zielgerichtete Materialien zu schaffen, deren Eigenschaften durch Laser-Material-Wechselwirkungen und nicht nur durch die Geometrie bestimmt werden, was Wärmetauscher und elektronische Komponenten revolutionieren könnte.

Mit Blick auf die Zukunft sieht das Team AM als entscheidend für die Verlagerung und verteilte Fertigung an, da Design und Materialentwicklung global erfolgen können, während die Fertigung in der Nähe des Verbrauchs stattfindet.

Der umfassende Ansatz der Universität Wolverhampton - von der grundlegenden Materialwissenschaft und Prozessentwicklung bis hin zur industriellen Anwendung, der Ausbildung von Arbeitskräften und der Beeinflussung der Politik durch ihre Beteiligung an British Standards und dem AMTA AM-Panel - macht sie zu einer wichtigen Kraft bei der Weiterentwicklung der AM-Landschaft, nicht nur in Großbritannien, sondern weltweit.

Telford Campus, Ingenieurwesen

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Hören Sie sich die vollständige Episode des Additive Snack Podcasts an.