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Additive Fertigung komplexer Induktoren
Die konventionelle Entwicklung komplexer Induktoren erfordert viel Zeit sowie teure Versuche. Das es anders gehen kann, zeigt die Protiq GmbH. Das Verhalten der Spulen im Prozess wird durch numerische Simulationsverfahren visualisiert und eine optimierte Induktorgeometrie ermittelt. Anschließend produziert das Unternehmen die diffizilen Bauteile kostengünstig und schnell im 3D-Druck – seit neustem ebenfalls aus reinem Kupfer.
Der von Protiq entwickelte Prozess zur Verarbeitung von hochleitfähigem Reinkupfer im selektiven Laserschmelzprozess erlaubt die Herstellung innovativer Bauteile für die Elektroindustrie.
Der von Protiq entwickelte Prozess zur Verarbeitung von hochleitfähigem Reinkupfer im selektiven Laserschmelzprozess erlaubt die Herstellung innovativer Bauteile für die Elektroindustrie.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Durch die neu gewonnenen Gestaltungsfreiheiten des 3D-Drucks 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 bestmöglich ausgelegt und ihre Eigenschaften im Betrieb verbessert werden. Die sich daraus ergebenden Optionen nutzt die Protiq GmbH unter anderem zur Konzeption und Produktion von innovativen Spulen, die der induktiven Erwärmung dienen.

Seit der Erfindung des 3D-Drucks in den 1980er Jahren hat sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Mittlerweile gibt es eine Vielzahl neuer 3D-Druckverfahren – z.B. das selektive Laserschmelzen oder Lasersintern –, die ebenfalls eine Herstellung von Serienbauteilen erlauben. Damals wie heute bauen sich die Komponenten dabei verfahrensübergreifend Schicht für Schicht auf. Durch diese Prozesse können selbst komplizierte Geometrien – wie aufwändige Freiformflächen oder innenliegende Strukturen – effizient gefertigt werden. Die Fülle der vorhandenen 3D-Druckverfahren gestattet ferner die Verarbeitung einer großen Bandbreite an Werkstoffen. Als Dienstleister für den industriellen 3D-Druck setzt Protiq viele technischen Kunststoffe und metallische Werkstoffe ein. 2016 als Teil der Phoenix Contact-Gruppe gegründet, zeichnet sich das Unternehmen seither durch hohe Produktionsqualität und kurze Lieferzeiten aus.

Reines Kupfer prozesssicher verarbeiten

Eine Besonderheit stellen die durch Protiq entwickelten hochleitfähigen Kupferwerkstoffe dar. Kupfer wird insbesondere in der Elektroindustrie für seine hohe elektrische Leitfähigkeit von bis zu 58 Megasiemens pro Meter (MS/m) – respektive 100 Prozent IACS (International Annealed Copper Standard) – geschätzt. Bei der additiven Fertigung von Metallbauteilen auf Basis des selektiven Laserschmelzens erzeugt ein starker Laser durch das schichtweise Verschmelzen feiner Metallpulver komplexe 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 diffizilen Produktionsanlagen von innen beschädigt und im schlimmsten Fall kann die teure Laserquelle zerstört werden. Das Aufschmelzverhalten des Werkstoffs lässt sich unter anderem durch die Zugabe von Legierungselementen verbessern. Allerdings wird so die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs gesenkt, weshalb die Bauteile nicht mehr für stromführende Anwendungen genutzt werden können.

Durch die numerische Simulation des induktiven Erwärmungsprozesses können teure Versuche vermieden werden; die Simulationsergebnisse ermöglichen eine detaillierte Analyse des elektromagnetischen Verhaltens.
Durch die numerische Simulation des induktiven Erwärmungsprozesses können teure Versuche vermieden werden; die Simulationsergebnisse ermöglichen eine detaillierte Analyse des elektromagnetischen Verhaltens.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Als Vorreiter in diesem Bereich hat Protiq die geschilderten Herausforderungen nach langjähriger Forschung überwunden und bietet bereits seit einigen Jahren eine elektrisch hochleitfähige Kupferlegierung an. Das sogenannte RS-Kupfer erreicht einen Wert von bis zu 52MS/m und weist einen Kupferanteil von 99 Prozent auf. Seit November 2019 können Anwender ihre additiv gefertigten Bauteile auf der Protiq-Plattform jetzt auch aus reinem Kupfer bestellen. Durch seine Expertise ist es Protiq als weltweit erstem 3D-Druck-Dienstleister gelungen, sogar reines Kupfer prozesssicher additiv zu verarbeiten. Der Werkstoff enthält keine weiteren Legierungsbestandteile und entspricht dabei dem Material Cu-ETP, dem industriellen Standard mit elektrischen Leitfähigkeiten von 58MS/m respektive 100 Prozent IACS.

Größere Gestaltungsfreiheit

In diesem Kontext eröffnet insbesondere der 3D-Druck von komplizierten Induktoren aus hochleitfähigem Kupfer, die zur induktiven Erwärmung eingesetzt 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 mechanisch hochbeanspruchten Bauteilen – wie Zahnrädern oder Getriebebauteilen – als industrieller Standard durchgesetzt. Die Qualität des eingestellten Härtebilds hängt hierbei unmittelbar vom erzeugten Magnetfeld und somit von der Form des Induktors ab.

Konventionell werden Induktoren durch das Biegen und Verlöten von Kupferprofilen hergestellt. Um die für den Betrieb notwendige Wasserkühlung umzusetzen, kommen runde oder rechteckige Hohlprofile zur Anwendung. Der oft manuelle und daher aufwändige Prozess verursacht hohe Produktionskosten und lange Lieferzeiten. Außerdem schränken minimale Biegeradien und die gewählte Profilform die Gestaltungsfreiheit ein. Deshalb kann das volle Potenzial des Induktors häufig nicht ausgeschöpft werden.

Durch die additive Fertigung von Induktoren aus hochleitfähigem Kupfer lassen sich die Nachteile der manuellen Herstellung überwinden. Der automatisierte Produktionsprozess zeichnet sich im Vergleich zum manuellen Biegeverfahren durch eine bessere Wiederholbarkeit und höhere Genauigkeit aus. Darüber hinaus stellt Protiq dem Anwender die in 3D gedruckten Induktoren nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich schneller zur Verfügung. Die bisherige Lieferzeit einer Spulengeometrie von mehreren Wochen wird auf wenige Tage reduziert.

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Phoenix Contact Deutschland GmbH
http://www.phoenixcontact.com

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