Herausforderung Kupfer: hohe Leitfähigkeit, schwierige Verarbeitung

Additiv gefertigte Metallbauteile werden in einem Pulverbett hergestellt. Dieses Pulver wird mit einem Laser geschmolzen. So wird Schicht für Schicht das Bauteil oder Produkt aufgebaut. Kupfer ist aufgrund seiner sehr hohen Wärmeleitfähigkeit und der starken Reflektivität allerdings nur schwer additiv zu verarbeiten. „Bei Standardanlagen werden rote Laser eingesetzt. Kupfer reflektiert hier knapp 98 Prozent des eingestrahlten Lichts“, sagt Prof. Dr.-Ing. Katrin Jahns, Professorin für Werkstofftechnik und Fertigungsverfahren für Metalle an der Hochschule Osnabrück und Projektleiterin. „Nur zwei Prozent der Energie gelangen tatsächlich in das Material – und diese wird auch noch rasch abgeführt. Ein gleichmäßiges Aufschmelzen ist so kaum möglich.“ 

Legierungen, die es konventionell (noch) nicht gibt

Im Projekt Cu-VHCF untersuchen die Forschenden Legierungen, die sich mit herkömmlichen Methoden wie Gießen nur schwer oder gar nicht herstellen lassen, weil sie dabei spröde Strukturen bilden. Durch die additive Fertigung könnten diese Legierungen, wie zum Beispiel Kupfer-Chrom-Niob, jedoch erfolgreich verarbeitet werden. „Kupfer-Chrom-Niob-Legierungen versprechen außergewöhnliche mechanische und thermische Eigenschaften. Durch extrem hohe Abkühlgeschwindigkeiten bei der Pulverherstellung und beim späteren 3D-Druck entstehen fein verteilte Chrom-2-Niob-Partikel (Dispersoide), die das Material deutlich fester machen und eine schützende Oxidschicht begünstigen. Damit könnten diese Legierungen die einzigen Kupferwerkstoffe sein, die dauerhaft bei Temperaturen über 500 Grad Celsius eingesetzt werden können“, so die Professorin. Auch die Kriecheigenschaften verbessern sich. Kriechen bezeichnet dauerhafte Verformung eines Materials, wenn es über längere Zeit unter hoher Temperatur oder hoher Belastung steht. Das ist besonders relevant bei Werkstoffen in Flugzeugtriebwerken, Hochspannungsanlagen oder anderen beanspruchten Bauteilen.

Simulation in Aachen, Experiment in Osnabrück

Das Forschungsteam bildet im Projekt die gesamte Prozesskette der additiven Fertigung ab: Die RWTH Aachen berechnet mittels Simulation, welche Phasen sich bei bestimmten Zusammensetzungen und Temperaturen bilden. „Mit dem digitalen Zwilling können wir uns aufwändige Vorversuche ersparen und sehr viel zielgerichteter die Werkstoffchemie und Prozessparameter der neuen Kupferlegierungen anpassen“, so Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Krupp, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen. Die Hochschule Osnabrück stellt darauf basierend das benötigte Metallpulver her, bereitet es auf und fertigt Bauteile im industriellen 3D-Drucker. Abschließend werden die fertigen Komponenten hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften analysiert.

Ziel des Projekts ist es, so die Grundlagen für eine spätere industrielle Nutzung dieser Hochleistungs-Kupferlegierungen zu schaffen – etwa für Raketentriebwerke, Hochspannungsleitungen, Wärmeübertrager oder andere Anwendungen, in denen hohe Temperaturen und dauerhafte Belastungen auftreten.

Große Nachfrage und hoher Forschungsbedarf

„Die Nachfrage nach solchen Werkstoffen in der Industrie ist hoch“, sagt Jahns. „Gleichzeitig ist die Herstellung aktuell sehr aufwendig und nur in Spezialanlagen zu realisieren – ein Grund dafür, warum diese Materialien noch nicht serienreif sind. Mit unserer Forschung wollen wir daher zentrale Parameter identifiziert, die eine stabile, reproduzierbare Serienfertigung ermöglichen.“

Hintergrund

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das Vorhaben mit 408.517 Euro über eine Laufzeit von drei Jahren. Verbunden sind außerdem zwei kooperative Promotionen an den Standorten Osnabrück und Aachen.

Weitere Informationen 

Prof. Dr.-Ing. Katrin Jahns
Werkstofftechnik und Fertigungsverfahren für Metalle
Hochschule Osnabrück
Telefon: +49(0)541 969- 3848
E-Mail: k.jahns@hs-osnabrueck.de

„Als Hochschule sehen wir es als unsere Aufgabe, unternehmerisches Denken zu fördern und Gründungsinteressierte auf ihrem Weg zu begleiten. Gerade die Verbindung von Forschung, Lehre und Praxis schafft ein Umfeld, in dem neue Ideen entstehen und erfolgreich umgesetzt werden können“, sagt Prof. Dr. Bernd Lehmann, Vizepräsident für Forschung, Transfer und wissenschaftliche Qualifizierung der Hochschule Osnabrück.

Beratung, Coaching, Werkstätten und Prototypen-Küche 

Mit verschiedenen Angeboten begleitet die Hochschule Osnabrück Gründungsinteressierte von der ersten Idee bis zur Unternehmensgründung. Eine zentrale Anlaufstelle ist der Bereich „Gründung & Startups“ des Transfer- und Innovationsmanagements der Osnabrücker Hochschulen. Hier erhalten Studierende und Beschäftigte der Osnabrücker Hochschulen unter anderem Beratung zu Gründungsideen, Fördermöglichkeiten, Mentoring in den Gründungsphasen sowie eine breite Vernetzung im Startup-Ökosystem.

Darüber hinaus bietet die Hochschule mit dem StartUp!Lab RISE am Osnabrücker Hafen Gründungsinteressierten die Möglichkeit, ihre ersten Ideen zu entwickeln, Prototypen zu erstellen und erste Geschäftskonzepte zu testen. Neben einem Social Media Studio und Pitch- und Seminarräumen stehen Studierenden und Mitarbeitenden mehrere Werkstätten zur Fertigung sowie eine Prototypen-Küche und ein Biotechnik-Verfahrenslabor zur Verfügung. Das Angebot umfasst außerdem Beratung und Feedback zur Idee, Mentoring, finanzielle Förderprogramme, kostenlose Workshops und Veranstaltungen sowie die Möglichkeit, sich mit anderen Interessierten zu vernetzen. Außerdem bietet die Hochschule potentiellen Gründungsteams nun die Möglichkeit an, gemeinsam in den innovativen Räumlichkeiten am Osnabrücker Hafen zu arbeiten.

Unterstützung für innovative Ideen aus Forschung und Studium

Ergänzt wird das Angebot durch das Projekt „Science X Spirit“, das gezielt wissenschafts- und forschungsbasierte Ausgründungen unterstützt. „Unser Ziel ist es, unsere Forschungstätigkeiten und daraus entstehende Erkenntnisse noch stärker in innovative Gründungen zu überführen und so einen Beitrag zur wirtschaftlichen Entwicklung der Region zu leisten“, so Lehmann.

„Zudem möchten wir die Gründungskultur an der Hochschule noch breiter verankern und zum Beispiel Gründungskompetenzen als festen Bestandteil in die Lehrpläne geeigneter Studiengänge integrieren“, erläutert Prof. Dr. Kathrin Loer, Vizepräsidentin für Studium und Lehre. 

Erfolgreiche Startups aus der Hochschule

Wie erfolgreich dieser Weg sein kann, zeigen zahlreiche Beispiele aus den vergangenen Jahren. So wurde ein Absolvent der Hochschule jüngst vom deutschen Startup-Verband zum Gründungsnewcomer des Jahres gekürt. Sein Startup baut  KI-Agenten, die Apps eigenständig bedienen können. Weitere Absolvent*innen haben sich beispielsweise erfolgreich mit digitalen Lösungen für den regionalen Gemüsehandel oder einer Online-Reiseplattform selbständig gemacht, die mittlerweile weltweit eingesetzt wird. Weitere Gründungsideen aus der Hochschule sind beispielsweise Bausätze für den Elektro-Umbau von Autos, die Verbindung landwirtschaftlicher Betriebe mit dem Energiemarkt oder individualisierbare Tiefkühlgerichte.

Weitere erfolgreiche Gründungsbeispiele sind auf der Seite des Transfer- und Innovationsmanagements zu finden.

Beispiele für weitere Startups aus dem StartUp!Lab RISE sind auf der Webseite des RISE zu finden. 

Hintergrund:
Der Niedersachsen Startup Monitor wird jährlich von Niedersachsen.next und der NBank in Zusammenarbeit mit der Startupdetector GmbH im Auftrag des Niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Bauen veröffentlicht. Der Bericht liefert wichtige Daten und Analysen für politische und wirtschaftliche Strategien im Bundesland. Grundlage sind Daten aus dem Handelsregister und eine Befragung des Startup-Verbands.

Weitere Informationen: 
Jana von Höne
RISE StartUp!Lab
Telefon: 0541 969-5339
E-Mail: j.von-hoene@hs-osnabrueck.de
www.hs-osnabrueck.de/rise

Dr. Frederike Carl
Transfer- und Innovationsmanagement (TIM) – Bereich Gründung und Startups
Telefon: 0541 969-7026
E-Mail: f.carl@hs-osnabrueck.de
www.tim-osnabrueck.de/gruendung