Neue kupferbasierte Werkstoffe für den 3D-Druck entwickeln und dabei das Thema Nachhaltigkeit ins Visier nehmen, das ist in den kommenden fünf Jahren das Ziel von Dr. Silja-Katharina Rittinghaus. Die Wissenschaftlerin der Bergischen Universität Wuppertal erhält vom Bundesministerium für Bildung und Forschung rund zwei Millionen Euro für den Aufbau einer neuen Nachwuchsgruppe.
„Im Projekt NanoSTeW suchen wir nach einer neuen Materialzusammensetzung, die möglichst fest und möglichst leitfähig ist, um sie zur Herstellung von Bauteilen in der additiven Fertigung, also im 3D-Druck, einzusetzen. Konkret fokussieren wir uns auf Kupfer und widmen uns einem Problem, das sich bei seinen Legierungen ergibt“, erklärt Gruppenleiterin Silja-Katharina Rittinghaus das Vorhaben. Und das steckt dahinter: Kupfer spielt in verschiedenen Anwendungsbereichen der Industrie aber auch in unserem Alltag eine entscheidende Rolle. Zum Beispiel in elektronischen Geräten zum Schutz vor Überhitzung: Das Metall besitzt eine hohe Leitfähigkeit, sodass die im Betrieb entstehende Wärme durch das Kupfer schnell abgeführt wird. Reines Kupfer, das sich als metallisches Pulver auch im 3D-Drucker verarbeiten lässt, ist zwar am leitfähigsten, dann aber auch ein verhältnismäßig weicher Werkstoff. Um höchste technische Ansprüche zu erfüllen, muss das eingesetzte Material fester sein. Das gelingt über Kupferlegierungen, also Verbindungen mit anderen Metallen. Das Problem: Bislang bekannte Werkstoffe sind nicht mehr so leitfähig wie reines Kupfer, sodass die aus ihnen gefertigten Teile nicht das volle Potenzial an Kühlleistung ausschöpfen. Gesucht werden also neue Legierungen, die bei Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit voll punkten.
Aus drei mach eins
In den Fokus des NanoSTeW-Vorhabens rücken dafür winzige Teile: Nanopartikel aus Silber und Yttriumoxid. Silber führt in Kombination mit anderen Elementen dazu, dass die Festigkeit des metallischen Stoffgemischs erhöht wird, ohne seine Leitfähigkeit negativ zu beeinflussen. Yttriumoxid sorgt dafür, dass das Material selbst bei hohen Temperaturen fester wird – ebenfalls ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. Eine Neuheit ist es nun, beide Stoffe zugleich mit Kupfer zusammenzubringen. „Wir stellen uns der Aufgabe“, fasst Rittinghaus zusammen, „Kupfer, Silber und Yttriumoxid bestmöglich zusammenzusetzen und daraus für den 3D-Druck Kompositpulver neu zu entwickeln und gleich für zwei Anwendungsfälle zu testen.“ Gemeinsam mit ihren Projektpaten will Rittinghaus aus dem entwickelten Werkstoff Bauteile für eine Antriebskomponente für die Luft- und Raumfahrt fertigen sowie einen Keramikkühler mit Kupfer für das Thermomanagement in elektronischen Geräten und Bauteilen beschichten. Der Kühler könnte zukünftig beispielsweise im Bereich der Elektromobilität Anwendung finden, etwa in Batteriemanagementsystemen, wo er hilft, die Temperatur zu kontrollieren.
Der Umwelt zuliebe
Als zusätzliche Komponente rückt die Forschungsgruppe den Recyclingprozess in den Fokus. Ziel ist es, die gesamte Herstellung des neuen Stoffgemischs möglichst ressourcenschonend zu gestalten – und das auf verschiedenen Ebenen. „Einerseits schauen wir, wie brauchbar Kupfer für unser Pulver ist, das wir als Sekundärrohstoff aus anderen Produkten gewinnen können. In unserem Projekt ist das zum Beispiel Kupfer aus ausrangierten Solarpaneelen“, beschreibt Rittinghaus. Zum anderen berücksichtigen die Forschenden die Frage, wie das Kupfer aus den Herstellungsversuchen wiederverwertet werden kann, die im Ergebnis noch nicht die erwünschten Eigenschaften vorweisen.
Wissen, das sich übertragen lässt
Über die verschiedenen Projektschritte bringt das Vorhaben Wissenschaftler*innen mit Expertise aus ganz unterschiedlichen Bereichen zusammen: aus Materialwissenschaft, Werkstofftechnik, Chemie und Nanotechnologie, ebenso wie aus Physik, Verfahrenstechnik und Informatik. Daneben wird das Projekt von Paten aus der Industrie begleitet. Rittinghaus: „So wollen wir sicherstellen, dass sowohl wissenschaftliche als auch technische Aspekte berücksichtigt werden und eine wirtschaftliche Umsetzung möglich ist.“ Dadurch, dass im Projekt Bauteile für zwei verschiedene Anwendungsfälle – Raumfahrttechnik und Elektronik – entwickelt werden, die sich in ihren geometrischen und funktionalen Anforderungen unterscheiden, sollen das Potenzial, die Flexibilität sowie die Übertragbarkeit der entwickelten Lösungen auf weitere Materialsysteme verdeutlicht werden. „In NanoSTeW nutzen wir die Materialforschung, um Impulse für neue Anwendungen zu geben und wichtige Technologien zukunftsfähiger und nachhaltiger zu gestalten“, so Rittinghaus.
Quelle: IDW