Kupfer im 3D-Druck

Kupfer leitet Strom und Wärme besser als fast alle anderen technischen Metalle – im 3D-Druck gehört es aber zu den anspruchsvollsten Werkstoffen. PROTIQ beschäftigt sich seit 2013 mit dem 3D-Druck von Kupfer und fertigt heute Bauteile aus Reinkupfer im selektiven Laserschmelzen (SLM) mit einer elektrischen Leitfähigkeit von bis zu 59 MS/m.

Auf dem PROTIQ Marketplace stehen vier Kupferwerkstoffe zur Auswahl: Reinkupfer, Reinkupfer low-O₂, RS-Kupfer und die Legierung CuCr1Zr. PROTIQ ist dabei selbst Hersteller – Reinkupfer, Reinkupfer low-O₂ und RS-Kupfer fertigen wir in eigener Produktion. Typische Bauteile sind Induktoren, Kühlkörper und Wärmetauscher mit integrierten Kanälen, Kühlkomponenten für Rechenzentren und Stromschienen.

• Herausforderung
• Entwicklung
• Kupferwerkstoffe
• Anwendungen
• Kompetenz
• FAQ

• seit 2013verarbeitet PROTIQ Kupfer im 3D-Druck
• ≤ 59 MS/melektrische Leitfähigkeit von Reinkupfer
• 415 ± 10 W/(m·K)Wärmeleitfähigkeit von Reinkupfer
• 4 Kupferwerkstoffeauf dem PROTIQ Marketplace

Herausforderung

Warum ist Kupfer im 3D-Druck so anspruchsvoll?

Kupfer reflektiert einen Großteil der eingestrahlten Laserenergie und leitet die Wärme sehr schnell aus dem Schmelzbereich ab. Dadurch ist das Prozessfenster eng: Zu wenig Energie führt zu einer unvollständigen Verschmelzung, zu viel Energie zu Überhitzung, Verdampfung und Poren.

• Reflexion: Während viele Metalle die Laserenergie vergleichsweise gut aufnehmen, wirft Kupfer einen Großteil davon zurück. Das Pulver aufzuschmelzen ist dadurch deutlich schwieriger als etwa bei Edelstahl.
• Wärmeleitung und Geometrie: Die eingebrachte Wärme fließt schnell ins Bauteil ab. Schon Unterschiede in Geometrie, Wandstärke oder Bauteilgröße verändern die Wärmeabfuhr – Werkstoff, Lasersystem, Prozessführung und Geometrie müssen deshalb genau aufeinander abgestimmt sein.
• Reinheit und Oxidation: Schon geringe Verunreinigungen oder Sauerstoffeinträge können die elektrischen und thermischen Eigenschaften beeinträchtigen. Kontrolliertes Pulverhandling, geeignete Schutzgasatmosphären und eine konsequente Qualitätssicherung sind daher entscheidend.

Mit Standardparametern lässt sich Kupfer nicht zuverlässig fertigen. Gefragt ist Erfahrung in Prozessentwicklung und Werkstoffbeherrschung – genau die hat PROTIQ in über einem Jahrzehnt Kupfer-3D-Druck aufgebaut.

So funktioniert das selektive Laserschmelzen

Entwicklung

Wie hat sich der 3D-Druck mit Kupfer bei PROTIQ entwickelt?

Lange galt Kupfer im Laserschmelzen als kaum beherrschbar. Ein früher Lösungsweg waren Kupferwerkstoffe mit Legierungselementen, die sich leichter verarbeiten lassen – um den Preis einer geringeren Leitfähigkeit. PROTIQ ist diesen Weg Schritt für Schritt weitergegangen: von RS-Kupfer über Reinkupfer bis zum besonders sauerstoffarmen Reinkupfer low-O₂.

1. 2013

   RS-KupferPROTIQ gelingt die additive Verarbeitung von hochleitfähigem RS-Kupfer – ein erster praxisnaher Schritt, Kupfer für den 3D-Druck nutzbar zu machen, etwa für Induktoren.

2. Danach

   ReinkupferMit weiterentwickelten Pulverqualitäten, Scanstrategien und Prozessparametern verarbeitet PROTIQ 100 % reines Kupfer – ohne Legierungselemente, die die Leitfähigkeit mindern.

3. Heute

   Reinkupfer low-O₂Eine abgestimmte Werkstoff-, Prozess- und Nachbehandlungsstrategie hält den Sauerstoffeintrag entlang der gesamten Prozesskette möglichst gering.

Damit hat sich der Fokus verschoben: Es geht nicht mehr allein darum, ob sich Kupfer drucken lässt, sondern darum, die funktionalen Eigenschaften der Bauteile gezielt zu verbessern.

• Aus dem Archiv: PROTIQ ermöglicht 3D-Druck mit 100 % reinem Kupfer

Kupferwerkstoffe

Welche Kupferwerkstoffe gibt es für den 3D-Druck?

Auf dem PROTIQ Marketplace finden Sie Reinkupfer, Reinkupfer low-O₂, RS-Kupfer und CuCr1Zr. Für die höchste Leitfähigkeit ist Reinkupfer die erste Wahl, low-O₂ für Bauteile, bei denen eine besonders hohe Reinheit gefragt ist. CuCr1Zr bietet mehr Festigkeit bei geringerer Leitfähigkeit.

* Kennwerte für Reinkupfer low-O₂ und CuCr1Zr erhalten Sie auf Anfrage.

Reinkupfer

Reinkupfer ist der Werkstoff für Bauteile, die Strom leiten oder Wärme abführen – etwa Induktoren, Kühlkörper, Kontaktbauteile oder Wärmetauscher. Additiv gefertigtes Reinkupfer von PROTIQ erreicht eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 59 MS/m und eine Wärmeleitfähigkeit von 415 ± 10 W/(m·K). Damit liegt seine Leitfähigkeit deutlich über der von RS-Kupfer.

Durch die stetige Weiterentwicklung von Pulverqualitäten, Scanstrategien und Prozessparametern entstehen Kupferbauteile für hohe elektrische und thermische Anforderungen – mit der Designfreiheit der additiven Fertigung.

• Elektrische Leitfähigkeit≤ 59 MS/m
• Wärmeleitfähigkeit415 ± 10 W/(m·K)
• Dichte8,9 g/cm³
• Zugfestigkeit (wie gebaut)220 ± 10 MPa
• Streckgrenze R_p0,2 (wie gebaut)140 ± 20 MPa
• Bruchdehnung (wie gebaut)50 ± 10 %

Datenblatt Reinkupfer

Reinkupfer low-O₂

Reinkupfer low-O₂ ist eine besonders sauerstoffarme Variante von Reinkupfer für die additive Fertigung – für Bauteile, bei denen eine besonders hohe Reinheit gefragt ist. Ziel ist es, den Sauerstoffeintrag entlang der gesamten Prozesskette so gering wie möglich zu halten. Denn schon geringe Sauerstoff- oder Feuchtigkeitseinträge können im 3D-Druck Oxidation begünstigen und damit Verarbeitung und Materialeigenschaften beeinflussen.

Entscheidend ist deshalb nicht nur die Qualität des Ausgangspulvers: Metallpulver reagiert wegen seiner großen Oberfläche besonders empfindlich auf Sauerstoff und Feuchtigkeit. Auch Lagerung, Pulverhandling, Pulverkreisläufe und die Bedingungen während des Prozesses spielen eine Rolle. Reinkupfer low-O₂ steht daher für eine aufeinander abgestimmte Werkstoff-, Prozess- und Nachbehandlungsstrategie, die PROTIQ entwickelt hat.

Interessant ist der Werkstoff überall dort, wo die elektrische oder thermische Leitfähigkeit direkt über die Leistungsfähigkeit entscheidet: bei der Elektronikkühlung, bei Wärmetauschern, stromführenden Bauteilen und Induktoren. Auch bei sehr tiefen Temperaturen ist die hohe Reinheit gefragt, weil dort schon geringe Verunreinigungen die Leitfähigkeit spürbar beeinflussen können.

RS-Kupfer

Mit RS-Kupfer hat PROTIQ 2013 den Einstieg in den Kupfer-3D-Druck geschafft. Der Werkstoff hat sich vor allem bei Induktoren für die induktive Erwärmung bewährt: Laut Datenblatt erreicht er eine elektrische Leitfähigkeit von 51 MS/m am Rand und 32 MS/m im Kern sowie eine Wärmeleitfähigkeit von 265 W/(m·K).

CuCr1Zr

Die Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung verbindet eine gute Leitfähigkeit mit höherer Festigkeit und Härte als Reinkupfer. Sie eignet sich für Bauteile, die neben der Leitfähigkeit auch mechanisch stärker belastet werden.

• Elektrische Leitfähigkeit (Rand / Kern)51 / 32 MS/m
• Wärmeleitfähigkeit265 W/(m·K)
• Dichte8,7–8,9 g/cm³
• Minimale Wandstärke0,6 mm
• Wandstärke für mediendichte Bauteileab 1 mm
• Dichtigkeitsprüfung6 bar Druckluft

Datenblatt RS-Kupfer

Anwendungen

Wofür werden Kupferbauteile aus dem 3D-Druck eingesetzt?

Überall dort, wo Strom geleitet oder Wärme abgeführt werden muss und die Geometrie den Unterschied macht: bei Induktoren für die induktive Erwärmung, Wärmetauschern und Kühlkörpern, Kühlkomponenten für Rechenzentren und Elektronik sowie bei Stromschienen und Leiterstrukturen.

Induktoren

Hohle Kupferspulen mit integrierten Kühlkanälen, exakt an das Werkstück angepasst – auch online konfigurierbar.

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Wärmetauscher und Kühlkörper

Gekrümmte Kühlrippen, Gitterstrukturen und integrierte Kanäle vergrößern die Oberfläche und verbessern den Wärmeübergang.

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Rechenzentren und Elektronikkühlung

Cold Plates und Kühlkomponenten mit Freiform-Kühlkanälen – von der Chipkühlung bis zur Flüssigkühlung im Rechenzentrum.

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Stromschienen

Stromführende Bauteile und Leiterstrukturen in Geometrien, die sich konventionell nur eingeschränkt fertigen lassen.

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Funktionsprototypen für Elektronik und Elektromotoren

Damit elektrische Tests und thermische Analysen aussagekräftig sind, sollten Prototypen möglichst dieselben Materialeigenschaften haben wie die späteren Serienbauteile. Mit Kupfer aus dem 3D-Druck entstehen Kontaktbauteile, Verbindungselemente oder Leiterstrukturen werkzeuglos und schnell. Auch für die Entwicklung von Elektromotoren lassen sich so Leiterstrukturen wie Hairpin-Windungen als Prototyp testen und gezielt anpassen.

Anwendungen bei tiefen Temperaturen

In kryogenen und anderen Niedrigtemperaturanwendungen können schon geringe Verunreinigungen die elektrische und thermische Leitfähigkeit deutlich beeinflussen. Hier ist die hohe Reinheit von Reinkupfer low-O₂ besonders interessant.

Kompetenz

Was macht PROTIQ zum Experten für Kupfer-3D-Druck?

PROTIQ verarbeitet Kupfer seit 2013 im 3D-Druck, entwickelt die eigenen Kupferwerkstoffe und Prozesse kontinuierlich weiter und begleitet Kupferprojekte von der Konstruktion bis zum fertigen Bauteil – bei Induktoren bis hin zur simulationsbasierten Optimierung.

Kupferbauteile online bestellen oder Projekt anfragen

Laden Sie Ihre 3D-Daten hoch, wählen Sie das passende Kupfermaterial im Konfigurator oder fragen Sie es bei uns an – und vergleichen Sie Angebote auf einen Blick. Für einfache Spulenformen gibt es den Induktor-Konfigurator. Bei komplexen Bauteilen beraten Sie unsere Expertinnen und Experten persönlich.

• Prototypen, Einzelteile und Kleinserien
• Komplexe Innenstrukturen und integrierte Kühlkanäle
• Konstruktionsberatung durch das PROTIQ-Team

FAQ

Häufige Fragen zu Kupfer im 3D-Druck

Was versteht man unter Kupfer-3D-Druck?

Beim 3D-Druck mit Kupfer werden Bauteile schichtweise aus Kupferpulver aufgebaut – direkt aus CAD-Daten und ohne Werkzeuge. So entstehen komplexe Geometrien wie integrierte Kühlkanäle oder funktionsoptimierte Leiterstrukturen, die sich konventionell nur schwer oder gar nicht fertigen lassen.

Mit welchem Verfahren wird Kupfer 3D-gedruckt?

PROTIQ fertigt Kupferbauteile im selektiven Laserschmelzen (SLM). Dabei trägt die Anlage Metallpulver schichtweise auf eine Bauplattform auf, und ein Laser schmilzt das Pulver gezielt an den Stellen auf, an denen das Bauteil entsteht.

Warum ist Kupfer im 3D-Druck schwierig zu verarbeiten?

Kupfer reflektiert einen Großteil der Laserenergie und leitet die Wärme sehr schnell aus dem Schmelzbereich ab. Das Prozessfenster ist deshalb eng: Zu wenig Energie führt zu unvollständiger Verschmelzung, zu viel zu Überhitzung, Verdampfung und Poren. Hinzu kommt die Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und Verunreinigungen.

Welche Kupferwerkstoffe gibt es auf dem PROTIQ Marketplace?

Zur Auswahl stehen Reinkupfer, Reinkupfer low-O₂, RS-Kupfer und die Legierung CuCr1Zr. Reinkupfer, Reinkupfer low-O₂ und RS-Kupfer fertigt PROTIQ selbst.

Welche Leitfähigkeit erreicht 3D-gedrucktes Reinkupfer?

Additiv gefertigtes Reinkupfer von PROTIQ erreicht laut Datenblatt eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 59 MS/m und eine Wärmeleitfähigkeit von 415 ± 10 W/(m·K) bei einer Dichte von 8,9 g/cm³.

Was ist der Unterschied zwischen Reinkupfer und RS-Kupfer?

Mit RS-Kupfer ist PROTIQ 2013 in den Kupfer-3D-Druck eingestiegen; der Werkstoff hat sich vor allem bei Induktoren bewährt. Reinkupfer besteht aus 100 % Kupfer und erreicht eine deutlich höhere Leitfähigkeit: bis zu 59 MS/m gegenüber 51 MS/m am Rand und 32 MS/m im Kern bei RS-Kupfer.

Was ist Reinkupfer low-O₂?

Reinkupfer low-O₂ ist eine besonders sauerstoffarme Variante von Reinkupfer für Bauteile, bei denen eine besonders hohe Reinheit gefragt ist. Dafür hat PROTIQ eine abgestimmte Werkstoff-, Prozess- und Nachbehandlungsstrategie entwickelt, die den Sauerstoffeintrag entlang der gesamten Prozesskette möglichst gering hält – vom Pulver über Lagerung und Handling bis zum Druckprozess.

Für welche Anwendungen eignet sich 3D-gedrucktes Kupfer?

Typisch sind Induktoren für die induktive Erwärmung, Wärmetauscher und Kühlkörper, Kühlkomponenten für Rechenzentren und Elektronik, Stromschienen und Leiterstrukturen sowie Funktionsprototypen für Elektronik und Elektromotoren.

Ist 3D-gedrucktes Kupfer für Serien geeignet?

Ja. Neben Prototypen und Einzelteilen werden Kupferbauteile im 3D-Druck auch in Kleinserien gefertigt – vor allem, wenn komplexe Geometrien oder integrierte Funktionen wie Kühlkanäle gefragt sind. Ob sich der 3D-Druck für Ihre Stückzahl rechnet, klären wir gern mit Ihnen.

Wie bekomme ich ein Angebot für ein Kupferbauteil?

Laden Sie Ihre 3D-Daten im Konfigurator hoch, wählen Sie das Kupfermaterial und vergleichen Sie die Angebote. Für einfache Spulenformen nutzen Sie den Induktor-Konfigurator. Bei komplexen Projekten oder Fragen zum Werkstoff schreiben Sie uns eine E-Mail.

Weitere Informationen

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