SB_19549NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Additive Fertigung von
Bauteilen aus Rein-Kupfer
mittels SLM und "grüner"
Laserstrahlung

Additive Fertigung von
Bauteilen aus Rein-Kupfer
mittels SLM und "grüner"
Laserstrahlung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.549N
DVS-Nr.: 13.026
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.,
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.549 N / DVS-Nr.: 13.026 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 445
Bestell-Nr.: 170554
ISBN: 978-3-96870-444-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhalt
Inhalt
1 Kurzzusammenfassung 1
2 Problemstellung, Forschungsziel und
Lösungsweg 4
2.1 Wissenschaftlich technische und wirtschaftliche
Problemstellung 4
2.2 Forschungsziel 6
2.3 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten
Forschungsergebnisse für KMU 7
2.4 Lösungsweg 8
2.4.1 AP 1: Anlage 9
2.4.2 AP 2: Entwicklung Prozessführung 10
2.4.3 AP 3: Eigenschaftsanalyse 11
2.4.4 AP 4: Demonstratoren 12
2.4.5 AP 5: Erstellung eines Abschlussberichts 13
3 Stand der Forschung und Technik 14
4 Grundlagen und Methodik 17
4.1 Prozessgrundlagen 17
4.2 Optikauslegung 17
4.3 Werkstoff Kupfer 18
4.4 Probenpräparation und Analyse 20
4.4.1 Einzelspurauswertung 20
4.4.2 Elektrische Leitfähigkeit 21
4.4.3 Oberflächenrauheit und Maßhaltigkeit 22
5 Darstellung der Projektergebnisse 23
5.1 AP 1: Anlage 23
5.1.1 Integration Strahlquelle 23
5.1.1.1 IPG GLPN-500-R 24
5.1.1.2 Trumpf TruDisk Pulse 421 27
5.1.1.3 Trumpf TruDisk 1020 29
5.1.2 Optikkonfiguration 30
5.1.3 Anpassung der Prozesskammer 33
5.2 AP 2: Entwicklung Prozessführung 33
5.2.1 Beschaffung & Analyse Pulverwerkstoff 35
5.2.2 Einzelsteguntersuchungen 36
5.2.2.1 TruDisk Pulse 421 (Strahldurchmesser 440 µm) 37
Schlussbericht zu IGF Vorhaben 19.549N
I

Inhalt
5.2.2.2 IPG GLPN 500 R (Strahldurchmesser 28 µm sowie
72 µm) 40
5.2.2.3 Trumpf TruDisk 1020 (Strahldurchmesser 180 µm) 46
5.2.2.4 Zusammenfassung und Diskussion Einzelstege 48
5.2.3 Entwicklung Parameterfenster Dichte 51
5.2.3.1 TruDisk421 Pulse (Strahldurchmesser 440 µm) 51
5.2.3.2 IPG GLPN 500 R (Strahldurchmesser 28 µm sowie
72 µm) 57
5.2.3.3 TruDisk1020 (Strahldurchmesser 180 µm) 66
5.2.3.4 Diskussion Prozessfenster Dichte 70
5.2.4 Prozessführung Oberfläche und Überhänge 73
5.3 AP3: Eigenschaftsanalyse 76
5.3.1 Gefüge 76
5.3.2 Leitfähigkeit 78
5.3.3 Mechanische Eigenschaften 82
5.4 AP 4: Demonstratoren 82
5.4.1 Fertigung 82
5.4.2 Bestimmung von Maß- und Formgenauigkeit 84
5.4.3 Vergleich mit konventionell hergestellten
Induktoren 88
5.4.3.1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 88
5.4.3.2 Zusammenfassung 91
6 Zusammenfassung und Gegenüberstellung der
Ergebnisse mit den Zielen des Antrages 92
7 Umsetzbarkeit und Transfer der Ergebnisse
bzw. Nutzen der Forschungsergebnisse für
Industrie und kmU 96
7.1 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft, 97
7.1.1 Geplante und durchgeführte Maßnahmen während
des Projektverlaufes 98
7.1.2 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach
Abschluss des Vorhabens 99
7.2 Einschätzung zur Realisierbarkeit des
Transferkonzepts 100
8 Erläuterungen der Verwendung der
Zuwendung sowie Angemessenheit und
Notwendigkeit der geleisteten Arbeit 102
8.1 Verwendung der Zuwendung 102
8.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten
Arbeit 102
9 Literaturverzeichnis 103
Schlussbericht zu IGF Vorhaben 19.549N
II

Inhalt
10 Abbildungsverzeichnis 105
Schlussbericht zu IGF Vorhaben 19.549N
III

Problemstellung, Forschungsziel
und Lösungsweg
2 Problemstellung, Forschungsziel und Lösungsweg
2.1 Wissenschaftlich technische und wirtschaftliche Problemstellung
Der Werkstoff Kupfer hat branchenübergreifend eine große Bedeutung in der
industriellen Fertigung. Bauteile mit besonders hohen Anforderungen an
elektrische oder thermische Leitfähigkeit werden im Allgemeinen aus Kupfer
oder Kupferlegierungen hergestellt. In Deutschland wurden 2015 ca. 2.419.000
Tonnen Kupfer produziert, davon etwa 728.000 Tonnen als Leitmaterial. Der
Umsatz lag bei ca. 13,556 Mrd. € [1]. Neben einfachen Halbzeugen wie z.B.
Drähten werden zahlreiche Bauteile mit komplexer Geometrie aus
Kupferwerkstoffen hergestellt. Ein Beispiel für komplexe Geometrien sind
Induktoren, die z.B. als Werkzeug in der Wärmebehandlung metallischer
Werkstücke eingesetzt werden. Das induktive Erwärmen wird z.B. für das
Randschichthärten, Löten, oder Richten von Werkstücken in verschiedenen
Branchen genutzt, wobei die Automobilindustrie den größten
Anwendungsbereich darstellt. Über kontrolliert aufgebrachte
Wechselstromstöße wird das Werkstück über das erzeugte elektromagnetische
Feld in einem definierten Randbereich kontrolliert erwärmt. Für die Effizienz und
Lebensdauer der thermisch wechselbelasteten Induktoren spielen die elektrische
und thermische Leitfähigkeit des Materials sowie die Geometrie des Induktors
eine entscheidende Rolle. Die Geometrie bestimmt maßgeblich die
Temperaturverteilung im zu bearbeitenden Werkstück und damit die Qualität des
Bearbeitungsergebnisses sowie des wärmebehandelten Produktes. Aus diesem
Grund wird eine individuell an die Werkstückgeometrie angepasste
Induktorgeometrie mit hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit benötigt.
Ohm‘sche Verluste im Induktor führen zur Erwärmung des leitenden Materials
unter der aufgebrachten elektrischen Last. Zusätzlich wird der innengekühlte
Induktor durch die vom Werkstück abgestrahlte Wärme erhitzt. Eine hohe
Leitfähigkeit des Induktorwerkstoffes sowie optimierte Wandstärken sind für
eine hohe Leistungsfähigkeit des Induktors unabdingbar für eine ausreichende
Lebensdauer. Die Induktoren werden üblicherweise als Rohrkonstruktion
realisiert und durch ein Kühlmedium in der als Hohlleiter konstruierten Windung
gekühlt. Die individuelle Anpassung der Induktorgeometrie an die
Werkstückgeometrie, enge Toleranzen für die Maßhaltigkeit und
prozessbedingte Kopplungsabstände zwischen Induktor und Werkstück sowie
eine Auslegung für die thermoelektrische Wechsellast und eine effektiven
Kühlung führen zu komplexen Induktorgeometrien in einer hohen
Variantenvielfalt von Stückzahl 1 bis zur Kleinserie. Die Fertigung der Induktoren
ist auf Grund der limitierten Verarbeitbarkeit des weichen Kupfers in
automatisierten Fertigungsprozessen nach wie vor durch manuelle
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Problemstellung, Forschungsziel
und Lösungsweg
Arbeitsschritte wie zum Beispiel Biegen und Löten von Hohlprofilen geprägt. Eine
limitierte Verformbarkeit des Materials bringt eine Einschränkung bezüglich der
erzielbaren Komplexität (begrenzte Biegeradien) sowie der Reproduzierbarkeit
mit sich. Der in Bild 1 dargestellte Arbeitsplatz repräsentiert die industrielle Praxis
der Induktorenfertigung [mündliche Mitteilung PbA]. Die Realisierung simulativ
und funktional optimierter Induktoren ist in der konventionellen Fertigung nur
limitiert umsetzbar und mit einem zusätzliche Zeit- und Kostenaufwand
verbunden. Die Additive Fertigung funktionsrelevanter Induktoren bzw. einzelner
Gestaltungselemente verspricht daher großes Potential zum Erhalt der
Wettbewerbsfähigkeit durch reduzierten Ausschuss und Kostenreduktion in der
Fertigung sowie Steigerung des Produktmehrwertes durch innovative
Induktorgestaltung.
Bild 1:
Repräsentativer
Arbeitsplatz zur
Induktorfertigung
und Montage in der
industriellen Praxis
[28].
Für die Fertigung komplexer Geometrien werden in der industriellen Produktion
zunehmend Additive Fertigungsverfahren eingesetzt. Das Wachstum verkaufter
Anlagen für die Additive Fertigung von Metallbauteilen liegt zu Projektbeginn in
der Größenordnung von ca. 50% (55,8% in 2014 und 46,9% in 2015) [2]. Durch
den schichtweisen und werkzeuglosen Fertigungsprozess ergeben sich
gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren wirtschaftliche Vorteile für die
Herstellung komplexer Geometrien in kleinerer Stückzahl bei einer hohen
Variantenvielfalt. SLM ist gegenwärtig eines der relevantesten additiven
Fertigungstechnologien zur Herstellung metallischer Bauteile in der industriellen
Anwendung. Kupferwerkstoffe sind in den letzten zwei Jahren vor Projektbeginn
zunehmend in den Fokus der Anwendung zur Additiven Fertigung von
Induktoren gerückt – insbesondere die volle Leitfähigkeit von Reinkupfer wird
mit diesen jedoch nicht erreicht. Zum Zeitpunkt des Projektbeginns liegt die
maximal realisierbare Leitfähigkeit für eine mittels SLM verarbeitbare
Kupferlegierung bei ca. 80 % von Reinkupfer (80 IACS%). Diese wird bei einer
Leitfähigkeit von ca. 30 IACS% im as built Zustand durch eine nachgelagerte
Wärmebehandlung erreicht. Die Wärmebehandlung ist für größere und/oder
filigrane Bauteile nur limitiert ohne eine Beeinträchtigung der Maßhaltigkeit
durchzuführen und/oder führt je nach Bauteilgeometrie zu inhomogenen
Werkstoffeigenschaften (Leitfähigkeit, Festigkeit) über der gesamten
Bauteilgeometrie.
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Problemstellung, Forschungsziel
und Lösungsweg
2.2 Forschungsziel
Eine zentrale Herausforderung bei der Verarbeitung von Reinkupfer mittels SLM
resultiert aus einem sehr geringen Absorptionsgrad von ca. 5%-10% für die
eingestrahlte Laserleistung bei der verwendeten Wellenlänge von λ =1070 nm.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes führt zu einer schnellen Dissipation
der eingebrachten Energie in das umliegende Material und erschwert einen
ausreichende Energieakkumulation im umzuschmelzenden Material. Eine hohe
Eingestrahlte Laserleistung ist daher notwendig. Ein Großteil der eingestrahlten
Laserstrahlung wird jedoch von der Kupferschmelze reflektiert und kann
Komponenten der SLM Anlage -insbesondere des Optiksystems -schädigen. Des
Weiteren ist der Einfluss des Restsauerstoffgehaltes in der Schutzgasatmosphäre
auf die Verarbeitbarkeit und die resultierende Werkstoffqualität unbekannt.
Vor diesem Hintergrund sowie auf Basis erste Voruntersuchungen durch Becker
[3] ist die bisherige typische Vorgehensweise zur Prozessentwicklung, eine
systematische Variation der relevanten Verfahrensparameter wie z.B.
Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Spurabstand hier nicht alleine
zielführend. Zur Erschließung des Anwendungsspektrums des SLM für Bauteile
aus Rein-Kupfer ist daher eine grundsätzlich neue, an den speziellen
Eigenschaften des Werkstoffs Kupfer angepasste SLM-Prozessführung und
Anlagentechnik erforderlich.
Das übergeordnete Ziel ist die Additive Fertigung komplexer Bauteile aus
Reinkupfer mittels SLM und einer möglichst hohen (elektrischen) Leitfähigkeit im
as built Zustand. Aus dem Stand der Technik wurde vor Projektbeginn die
Forschungshypothese abgeleitet, dass dies mittels Laserstrahlung der
Wellenlänge von λ = 515 nm bzw. λ = 532 nm im grünen Spektralbereich bei
einer Laserleistung von P L ≥ 400W ermöglicht wird. Darüber hinaus soll das
technologische Potential der angepassten Prozessführung und Anlagentechnik
für den Anwendungsbereich der Induktorfertigung an Hand erster Testbauteile
zur Bewertung der Technologie ermittelt werden.
Im Detail werden gemäß Antragstellung folgende Teilziele zum Erreichen des
Projektzieles und Überprüfung der Hypothese definiert:
1. Anpassung einer SLM Laboranlage und Integration einer „grünen“
Laserstrahlquelle (λ = 515nm) mit einer Laserleistung von P L ≥ 400 W (cw)
und einer Strahlqualität von M 2 4,5. Damit soll ein Fokusdurchmesser von
d s < 100µm in der Bearbeitungsebene bei einer Scanfeldgröße (Arbeitsfeld)
von ca. 200 mm x 200 mm erzielt werden.
2. Validierung und ggfs. Anpassung der SLM Prozesskammer zur Realisierung
von Restsauerstoffgehalten unter 10 ppm zur Vermeidung der Oxidation der
Kupfer-Schmelze während des Prozesses
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