Das rote Gold
Die heutigen Anwendungsbereiche von Kupfer entwickeln sich stetig weiter, hinzu kommen neue innovative Einsatzfelder. Weltweit werden etwa 26 Millionen Tonnen Kupfer pro Jahr benötigt. Aufgrund seiner Eigenschaften gilt es als wichtiges Technologie- und Funktionsmetall insbesondere für die Energiewende. Allerdings ist es in Deutschland nur begrenzt verfügbar: Die eigenen Vorräte reichen nicht aus, um die Nachfrage langfristig zu bedienen. Um unsere Zukunft nachhaltig zu gestalten, Ressourcen zu schonen und das Land unabhängiger von Kupferimporten aus dem Ausland zu machen, ist die effizientere Nutzung von Kupfer besonders erstrebenswert. Hier setzt das Projekt NanoSTeW an: Hauptziel ist die Entwicklung von neuen Kupferwerkstoffen, die die Wärme noch besser ableiten können als die bisher eingesetzten, und durch eine umfassende Betrachtung der beteiligten Stoffkreisläufe die Nachhaltigkeit von kupferhaltigen Produkten zu fördern. Neben der Verringerung des ökologischen Fußabdrucks von Produktions-Prozessen resultiert daraus ein weiterer Effekt: „Wenn die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Werkstoffe erhöht werden kann, werden auch die Anlagen und die Bauteile, die sie kühlen, leistungsfähiger und langlebiger. Damit tragen wir ebenfalls zur Ressourcenschonung bei“, erklärt Forschungsgruppenleiterin Silja-Katharina Rittinghaus.
Wie soll das gelingen? Das Vorgehen im Projekt
Festigkeit und Haltbarkeit machen Metalle zu einer geeigneten Wahl für das 3D-Druckverfahren. Dabei wird schmelzbares Material, Flüssigkeiten oder – wie im Fall des Projekts NanoSTeW – Pulver erhitzt, schichtweise mit Laser- oder Elektronenstrahlung (hochenergetischer Strahlung) umgeschmolzen und zu einem dreidimensionalen Körper aufgebaut. Vorlage für den Aufbau ist ein digitaler Entwurf des Gegenstands, der zunächst in einer Grafiksoftware am Computer erstellt wird. Später macht eine Art Übersetzungsprogramm die Datei für den Drucker lesbar. In diesem Schritt können auch spezifische Einstellungen für das Gerät vorgenommen werden, wie Konturgenauigkeit und Geschwindigkeit des Drucks.
Nano-Komposit-Herstellung
Die erste Herausforderung liegt für die Beteiligten in der Herstellung des zusammengesetzten Pulvers. Neu entwickelte Ansätze ermöglichen, daß die Nanopartikel aus Silber und Yttriumoxid sowie ihre Komposite mit dem Kupferpulver unter minimalem Einsatz von Hilfsstoffen hergestellt und verarbeitet werden. Das vermeidet Verunreinigungen und Oxidation, die die Materialeigenschaften negativ beeinflussen würden. Und so läuft das ab: Mit einem Laser schießen die Forschenden zunächst auf einen Festkörper aus Silber bzw. Yttriumoxid. Dieser Laserablation genannte Vorgang führt zu Verdampfung und Plasmabildung, wodurch Nanopartikel aus der festen Oberfläche in die Flüssigkeit freigesetzt und abgeschreckt werden. Neu und damit eine der Innovationen des Forschungsansatzes ist nun der Schritt, zwei verschiedene Sorten von Nanopartikeln mit dem Kupfer zu verbinden. Auch dieser Vorgang spielt sich in einer den Prozeß unterstützenden Flüssigkeit ab. Variierende pH-Werte spielen hierbei eine Rolle, die dazu führen, daß die Nanopartikel an der Kupferoberfläche haften. Ein Vorteil dieser Herstellungsmethode gegenüber beispielsweise Mahlprozessen ist, daß das Kupferpulver seine ursprüngliche Form behält und sich weiterhin gut im 3D-Druck verarbeiten läßt. „Außerdem“, so Rittinghaus, „ist das Gesamtverfahren sehr flexibel, sodaß Menge und selbst Größe zugefügter Nanopartikel leicht variiert werden können.“
Nichts dem Zufall überlassen
Eine weitere Innovation liegt in der Gestaltung der nun folgenden Pulververarbeitung im 3D-Druck. „Bei diesem Schritt geht es darum, ein neues Verfahren zu entwickeln, mit dem das Material nach dem Umschmelzen durch Elektronenstrahlung auf eine bestimmte Weise erstarrt, die schließlich zu den idealen Materialeigenschaften führt: wärmeleitfähig und fest“, verweist die Wissenschaftlerin auf das Thema Texturdesign. Plan ist es, die Mikrostruktur von zwei- und dreidimensionalen Objekten aus dem Drucker gezielt einstellen zu können, beispielsweise über die im Druckprozeß eingesetzte Software. So soll auch eine gleichmäßige Verteilung der Pulverbestandteile im Endprodukt, die für gute Materialeigenschaften wichtig ist, sichergestellt werden.
Die Forschungsgruppe erhofft sich umfassende wissenschaftliche Erkenntnisse über Nano-Komposite und deren Verarbeitungstechnologien: Während des gesamten Prozesses – von Partikel- und Kompositpulverherstellung bis zur gedruckten Struktur – werden das Material einschließlich seiner Nano- und Mikrostruktur, Bauteile sowie die genutzten Verfahren immer wieder analysiert, um gesicherte Aussagen über die Eigenschaften des Materials und damit die Fortschritte im Projekt zu treffen. Im Erfolgsfall sollen die neuen Technologien gemeinsam mit den Paten umgesetzt werden.
Hintergrund Nachwuchsgruppe NanoSTeW
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ermöglicht es jungen, exzellenten Wissenschaftlern im Rahmen einiger Programme, Mittel für eine eigene Nachwuchsgruppe einzuwerben. Für ihre wissenschaftliche Weiterqualifizierung erhalten sie die Möglichkeit – oft in einem interdisziplinären Team – neue Forschungsfragen zu bearbeiten.
Auf der Grundlage des Rahmenprogramms „Vom Material zur Innovation“ fördert das BMBF Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Die Wuppertaler Nachwuchsgruppe NanoSTeW wird im Anwendungsfeld „Nachhaltiger Umgang mit Rohstoffen und Materialien“ fünf Jahre lang mit rund zwei Millionen Euro gefördert und von Dr. Silja-Katharina Rittinghaus an der Bergischen Universität Wuppertal geleitet. NanoSTeW steht für Nano-komponierte Schmelzmaterialien und deren Texturdesign für effizienten Wärmetransport in Strukturbauteilen.
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Vermischtes
27.11.24
