Thu Aug 06 2020

08 06

Koellichamen uit de 3D-printer

30/06/2020

Door Ad Spijkers

Kortere processtappen, snellere productietijden, aanpassingen op korte termijn, lager materiaalverbruik, meer functionaliteit en dus lagere kosten. Additieve technieken bieden mogelijkheden voor de koeling van elektronica.


     

Additieve productieprocessen openen steeds meer toepassingsgebieden en worden steeds relevanter voor de industrie. In een nieuw project wil het Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) in Halle-Saale (bij Leipzig) samen met KME (fabrikant van koper halffabrikaten, met hoofdkantoor in Osnabrück) het gebruik van additieve fabricagetechnologieën onderzoeken voor sterk warmtegeleidende componenten van koper en koperlegeringen. Dit moet nieuwe marktsegmenten openen op het gebied van koelelementen voor vermogenselektronica.

Het warmtegeleidingsvermogen van koper wordt alleen overtroffen door dat van zilver. Zilver wordt als materiaal gezien de hoge prijs alleen gebruikt voor individuele speciale gevallen. De projectpartners in het gezamenlijke project CuAdd vertrouwen daarom op koper en zijn legeringen. Additieve fabricagemethoden met koper vormen een markt met toekomstperspectieven.

Additieve productie

Het project evalueert additieve fabricageprocessen voor metalen componenten, waaronder fused deposition modeling (FDM), binder jetting (BJ), nano particle jetting (NPJ) en laser powder bed fusion (LPBF). Met deze technologieën worden de componenten in lagen opgebouwd. Koper of koperlegeringen worden gebruikt als uitgangsmaterialen, als puur poeder of gebonden in filamenten. Er zijn verschillen in de verdere verwerking in de procesafhankelijke materiaaltoevoer en in de verwerkingstemperatuur.

De geprefereerde methode van de onderzoekers is laser poederbedfusie (LPBF). Dit is tot nu toe het meest succesvolle additieve productieproces voor het prototypen van metalen componenten. Het materiaal wordt in poedervorm in een dunne laag op een grondplaat aangebracht. Het poedervormige materiaal wordt vormgegeven door laserstraling die het materiaal bij temperaturen boven 1000°C doen smelten, waarna zich een solide materiaallaag vormt. Vervolgens wordt weer poeder aangebracht en in de juiste vorm gesmolten. Deze cyclus wordt herhaald totdat alle lagen zijn aangebracht.

Aandachtsgebieden

Behalve het onderzoeken en evalueren van het meest geschikte proces voor sterk warmtegeleidende kopercomponenten kijken de onderzoekers ook welk poeder of poedermengsel in de componenten geschikt is voor welke toepassing. Factoren zoals deeltjesgrootte, vloei-eigenschappen en porositeit spelen een belangrijke rol, net als gewenste kenmerken zoals hoge thermische geleidbaarheid of hoge elektrische geleidbaarheid van de componenten.

In het gezamenlijke project worden de koperkwaliteiten Cu-ETP, Cu-OFE en Cu-HCP en de koperlegeringen CuCrZr en CuNi2SiCr getest, terwijl de compatibiliteit van verschillende polymeersystemen zoals PLA (polymelkzuren) en PA (polyamiden) met kopersystemen wordt getest.

De onderzoekers willen met behulp van additieve productieprocessen prototypen met een geometrisch complexe structuur maken, die bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als hoogwaardig koellichaam. Als ze met succes worden uitgevoerd, zouden complexe en dure conventionele technologieën stap voor stap kunnen worden vervangen.

De onderzoekers combineren de industriële competenties van KME voor koperproductie met die van toegepaste microstructuuropheldering van Fraunhofer IMWS. Aldus willen ze een snelle opbouw van vakkennis op het gebied van koperpoederproductie voor 3D-printen mogelijk maken.