Der Betriebsleiter 10/2018

ADDITIVE FERTIGUNG I SPECIAL
Individuell konfiguriert, schnell gefertigt
3D-Druck von magnetfeldoptimierten Induktoren aus hochleitfähigem Kupfer
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Werden komplexe Induktoren
konventionell hergestellt, kostet
dies viel Zeit und Geld. Dass es
anders gehen kann, zeigt die Protiq
GmbH. Auf der Online-Plattform
des Unternehmens lassen sich
selbst Bauteile aus hochleitfähigem
Kupfer individuell konfigurieren
sowie schnell und kostengünstig im
3D-Druckverfahren produzieren.
Der 3D-Druck – auch additive Fertigung
genannt – sorgt in zahlreichen Bereichen
der industriellen Produktion für vielfältige
Innovationen. Durch die neu gewonnenen
Gestaltungsfreiheiten lassen sich jetzt Bauteile
wirtschaftlich herstellen, deren konventionelle
Fertigung bislang nicht möglich war.
Wird bereits in der Entwicklungsphase auf
eine rechnergestützte Optimierung zurückgegriffen,
können die Bauteile zudem optimal
ausgelegt und ihre Eigenschaften im
Betrieb verbessert werden. Die sich daraus
ergebenden Möglichkeiten nutzt die Protiq
GmbH u.a. zur Herstellung innovativer Spulen
für die induktive Erwärmung.
Seit der Erfindung des 3D-Drucks in den
1980er Jahren hat sich die Technologie
Autor: Johannes Lohn, Entwicklungsleiter, und
Max Wissing, Konstrukteur und Entwicklungsingenieur,
Protiq GmbH, Blomberg
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rasant weiterentwickelt. Mittlerweile hat
sich eine Vielzahl neuer 3D-Druckverfahren
etabliert – zum Beispiel das selektive
Laserschmelzen oder Lasersintern –, die eine
Fertigung von Serienbauteilen ermöglichen.
Sogar hochgradig komplexe Geometrien
wie aufwändige Freiformflächen oder
innenliegende Strukturen können effizient
hergestellt werden. Die Fülle der vorhandenen
3D-Druckverfahren erlaubt ferner die
Verarbeitung einer großen Bandbreite an
Werkstoffen. Als Dienstleister für den industriellen
3D-Druck setzt die Protiq GmbH
zahlreiche technische Kunststoffe und
metallische Werkstoffe in der additiven Fertigung
ein. 2016 als Teil der Phoenix Contact-Gruppe
gegründet, zeichnet sich das
Unternehmen seither durch hohe Produktionsqualität
und geringe Lieferzeiten aus.
Elektrische Leitfähigkeit von
bis zu 50 MS/m
Eine Besonderheit stellt der durch Protiq
entwickelte hochleitfähige Kupferwerkstoff
dar. Kupfer wird insbesondere in der Elektroindustrie
für seine hohe elektrische Leitfähigkeit
von bis zu 58 MS/m geschätzt. Bei
der additiven Fertigung von Metallbauteilen
auf Basis des selektiven Laserschmelzens erzeugt
ein starker Laser durch das schichtweise
Verschmelzen feiner Metallpulver komplizierte
Bauteile. Lange Zeit galt die Verarbeitung
elektrisch hochleitfähiger Kupferwerkstoffe
in diesem Prozess als nicht
umsetzbar. Aufgrund der Wellenlänge des
verwendeten infraroten Lasers wird ein
Großteil der Laserenergie durch den roten
Kupferwerkstoff reflektiert. Dadurch können
die komplexen Produktionsanlagen von innen
beschädigt und im schlimmsten Fall
kann die teure Laserquelle zerstört werden.
Das Einkoppeln des Lasers lässt sich u.a.
durch die Zugabe von Legierungselementen
verbessern. Auf diese Weise wird allerdings
die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs
gesenkt, sodass bisherige Lösungen mit einer
Leitfähigkeit von lediglich 25 MS/m
nicht für stromführende Anwendungen genutzt
werden konnten. Im Rahmen einer intensiven
mehrjährigen Forschung hat Protiq
nun einen Prozess für die additive Verarbeitung
hochleitfähigen Kupfers entwickelt.
Der Werkstoff erreicht eine elektrische Leitfähigkeit
von bis zu 50 MS/m und weist
einen Kupferanteil von 99 Prozent auf. In
ersten vielversprechenden Fertigungsversuchen
ist es Protiq zudem schon gelungen,
reines Kupfer für den 3D-Druck einzusetzen
und noch höhere Leitfähigkeiten zu erzielen.
Durch die Verwendung alternativer Laserquellen
mit grünen oder sogar blauen
Wellenlängen wird das Reflektionsverhalten
des Kupfers optimiert und das Material lässt
sich kontrolliert aufschmelzen.
Bessere Reproduzierbarkeit und
höhere Genauigkeit
In diesem Kontext eröffnet insbesondere der
3D-Druck von komplexen Induktoren aus
hochleitfähigem Kupfer, die zur induktiven
Erwärmung genutzt werden, großes Potenzial.
Bei der induktiven Erwärmung generiert
der Induktor ein magnetisches Wechselfeld,
wodurch im Bauteil ein elektrischer
Strom induziert und das Material durch
joulesche Erwärmung aufgeheizt wird. Das
effektive und gut reproduzierbare Verfahren
hat sich vor allem bei der Randschichthärtung
von hochbeanspruchten Bauteilen wie
Zahnrädern oder Getriebebauteilen als industrieller
Standard durchgesetzt. Die Qualität
des eingestellten Härtebildes hängt dabei
unmittelbar vom erzeugten Magnetfeld und
somit von der Form des Induktors ab.
Konventionell werden Induktoren durch
das Biegen und Verlöten von Kupferprofilen
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