Die Zielstellung des DFG-Projekts liegt in der reproduzierbaren, effizienten und ökonomischem Prozessierung von Cu-Partikeln mittels PBF-LB/M durch die Modifikation der Cu-Partikeloberfläche. Dazu sollen auf reinen Cu-Partikeln Oxidschichten gezielt gebildet oder entfernt werden, um eine höhere Energieeinkopplung des Laserstrahls zu erreichen, und dichte Bauteile mit herausragenden physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit) zu fertigen. Des Weiteren soll geprüft werden, ob eine Applikation von außenstromlos applizierten Ni-Schichten die Sauerstoffaufnahme der Cu-Partikeln reduziert und die Energieeinkopplung des Laserstrahls verbessert.

Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit und der hohen Wärmeleitfähigkeit hat das Element Kupfer in Branchen wie der Energietechnologie, der Elektromobilität und dem induktivem Wärmetransport einen hohen Stellenwert und eine Prozessierung von Cu-Pulver mittels PBF-LB/M ist erstrebenswert. Die zur PBF-LB/M-Prozessierung genutzte industriell genutzte Wellenlänge liegt meist im IR-Bereich (λ = 1050 nm). In diesem Bereich liegt die Reflektivität von Kupfer bei etwa 97%. In Kombination mit der hohen Wärmleitfähigkeit führt dies dazu, dass mittels PBF-LB/M prozessierte Cu-Bauteile eine geringe relative Dichte (<90 %) aufweisen, wodurch die Einsatzfähigkeit massiv eingeschränkt wird. Durch die Beigabe von Legierungselementen in Form von vorlegiertem Pulver oder Beschichtungen kann die Prozessierbarkeit auf Kosten der herausragenden physikalischen Eigenschaften des reinen Kupfers verbessert werden. Neben dem Legierungs- bzw. Beschichtungsansatz kann die Reflektivität des Kupfers im IR-Bereich durch gezielte Einstellung einer Oxidschicht reduziert werden. Das gezielte Einbringen von Oxiden kann sich des Weiteren positiv auf die mechanischen Eigenschaften der Bauteile auswirken. Die Oxidation von Pulvern im Allgemeinen kann aber auch die Prozessierbarkeit des Pulvers verändern und die Einsatzeigenschaften des Bauteiles negativ beeinflussen. Da Pulver, welches für einen Druckprozess verwendet wurde aber nicht aufgeschmolzen und verfestigt ist, eine unkontrollierte Wärmebehandlung erfährt und somit oxidiert, wird dieses Pulver meist nicht wiederverwendet.
Die Oxidation kann durch Wärmebehandlungsprozesse unter oxidierender bzw. reduzierender Atmosphäre gezielt gesteuert werden, wodurch zum einen die Prozessierbarkeit von reinem Kupfer und die Verwendung von rezykliertem, reinem Cu-Pulver ermöglicht werden könnte. Dünne Schichten aus Nickel könnten ebenfalls dazu beitragen die Sauerstoffaufnahme des Cu-Pulvers besser zu steuern.

Konkret werden die Eigenschaftsveränderungen und die Bildung der Oxidphasen von eigens mittels Ultraschallzerstäubung erzeugtem Cu-Pulver in unterschiedlichen Oxidationszuständen und teilweise mit Nickelbeschichtungen durch ex- und in-situ Methoden beobachtet und untersucht. Die gezielte Oxidation findet dabei durch eine Wärmebehandlung unter oxidierender Atmosphäre statt, um die Reflektivität und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Die Pulver werden anschließend mittels PBF-LB/M verarbeitet und auf Prozessierbarkeit und die Einsatzeigenschaften untersucht. Zudem werden die Oxidationszustände von unterschiedlich häufig rezykliertem Cu-Pulver analysiert, die Auswirkungen dieser auf die Prozessparameter betrachtet und das rezyklierte Pulver wird unter reduzierender Atmosphäre auf einen kontrollierten Oxidationszustand eingestellt. Dieser soll in weiteren PBF-LB/M Prozessen die Verarbeitung von mehrfach rezykliertem Pulver unter gleichbleibenden Prozessparametern ermöglichen.

Kontakt:
Jonas Hankel
hankel.fuw[@]uni-wuppertal.de