Kupfer und Kupferlegierungen

In diesem Vortrag werden die grundlegenden Eigenschaften des Werkstoffs Kupfer betrachtet. Vom Atomaufbau, über die Herstellung bis hin zu den Anwendungen gibt es einen Einblick über die mikroskopischen bis hin zu den makroskopischen Eigenschaften des ältesten Gebrauchsmetalls der Menschheit. Basierend auf diesen Grundlagen gelingt ein guter Einstieg in die nachfolgenden Beiträge, in denen Eigenschaftsoptimierungen, Anwendungen und Herstellungsmethoden vertieft werden.

Kupfer überzeugt durch exzellente Leitfähigkeit – doch wie lässt sich gleichzeitig die nötige Festigkeit erzielen? Im Fokus stehen die vielfältigen Verfestigungsmechanismen, die das Eigenschaftsprofil von Kupfer gezielt steuern. Gezeigt wird, wie Prozesse wie Kaltumformung, Ausscheidungshärtung oder Legierungsentwicklung die Mikrostruktur beeinflussen und damit über Eigenschaften entscheiden. Spannend sind dabei die Zielkonflikte, die sich zwischen hoher mechanischer Festigkeit und maximaler elektrischer Leitfähigkeit ergeben – ein Balanceakt, der praxisnah beleuchtet wird. Anhand realer Anwendungen wird deutlich, wie innovative Prozessstrategien helfen, diese Gegensätze aufzulösen und leistungsfähige Kupferlösungen für moderne Technologien zu schaffen.

Kupfer ist extrem wichtig für das moderne Leben, etwa für Digitalisierung, Elektronik und Elektrifizierung. Daher ist Kupfer für jede Gesellschaft, die sich modern entwickelt, strategisch bedeutsam. Für die CO2-freie Transformation der Gesellschaft, um der Klimawandel entgegenzuwirken, wird viel mehr Kupfer als heute benötigt. So stellt sich die Frage der Verfügbarkeit, auf die in diesem Beitrag eingegangen wird.

Die Anforderungen an Kupferwerkstoffe steigen zunehmend, bspw. durch verschärfte Re-gulatorien, notwendige Leistungssteigerungen oder die Umsetzung einer Kreislaufwirt-schaft durch Recyclingfähigkeit. In diesem Hinblick gestaltet sich das Entwickeln zukünf-tiger Werkstofflösungen als Balanceakt. Im Rahmen dieses Vortrages werden aktuelle Entwicklungstrends und Werkstofflösungen vorgestellt. Es wird aufgezeigt, wie Blei er-folgreich in Zerspanungsmessingen für Trinkwasseranwendungen sowie in Sondermes-singen substituieren werden kann. Trend in der Eigenschaftsoptimierung von Lagerwerk-stoffen werden diskutiert und ein Einblick in die Entwicklung neuartiger, mehrphasiger Gefüge gewährt. 

Die Nachfrage nach kleinsten metallischen Bauteilen in sämtlichen Industriebranchen steigt. Dies erfordert Fertigungsverfahren, die Wirtschaftlichkeit und Präzision vereinen. Als urformendes Verfahren ist hier das Feingussverfahren besonders geeignet. Es zeichnet sich durch hohe Maßgenauigkeit, erstklassige Oberflächengüte und geringe Herstellungskosten aus. Der Vortrag beleuchtet die Möglichkeiten der Bauteilgestaltung, welche sich im Microguss-Verfahren, eine weiter entwickelte Form des Feingusses, bieten. Es wird aufgezeigt wie sich durch Funktionsintegration und Baugruppensubstitution Komponenten fertigen lassen, welche konventionell nur sehr aufwändig oder gar nicht herstellen lassen. Insbesondere mit Cu-basierten Legierungen lassen sich zudem Feder-, Clip- und Crimpfunktionen abbilden. Sowohl werkzeuggebunden als auch in einem hybriden additiven Verfahren lassen sich somit komplexe Kleinstteile ab einem Bauteilgewicht von ca. 0,1 Gramm mit Wandstärken ab 0,1 mm realisieren.

Im Vortrag werden durchgängige Fertigungsstrategien zur Herstellung von Kupferhalbzeugen vorgestellt. Zunächst stehen die kontinuierlichen Gießverfahren Upcast® und Contirod® im Fokus, die für die Produktion von hochreinem Kupferdraht eingesetzt werden. Beide Verfahren zeichnen sich durch eine präzise Erstarrungsführung, geringe Oxidgehalte und exzellente Materialhomogenität aus. Für die Herstellung von Bandhalbzeugen wird das Conti-M® Verfahren betrachtet, das durch seine hohe Produktivität und flexible Anpassbarkeit an unterschiedliche Kupferwerkstoffe überzeugt. Anschließend wird die Weiterverarbeitung mittels kontinuierlicher Warmumformverfahren vorgestellt. Dazu zählen das Warmwalzen zur Herstellung von Flachprodukten, sowie das Conformä Verfahren, das sich für die effiziente Produktion komplexer Langprodukte eignet. Beide Prozesse sind eng auf die vorgelagerten Gießverfahren abgestimmt und ermöglichen eine durchgängige Halbzeugproduktion mit hoher Energieeffizienz und Materialausnutzung.

Komplexe Geometrien, höchste Präzision und hervorragende Leitfähigkeit – die additive Fertigung eröffnet für Kupfer völlig neue Möglichkeiten. Kupfer stellt in der additiven Fertigung besondere Herausforderungen: hohe Wärmeleitfähigkeit, Lichtreflexion und spezifische Materialeigenschaften erfordern angepasste Prozesse und Technologien. Ziel ist einen Überblick zu geben, Stolpersteine anzusprechen und die Teilnehmer für deren Überwindung vorzubereiten. So wird deutlich, was die additive Fertigung von Kupfer so speziell macht – und welches Potenzial sie bietet. Die Kombination aus Designfreiheit und Werkstoffperformance eröffnet neue Märkte und bringt Kupfer in Anwendungen, die bisher undenkbar waren.

Kupfer- und Kupferlegierungen lassen sich auf verschiedenen Wegen schweißen. Praktisch alle Schweißverfahren, die für metallische Werkstoffe anwendbar sind, lassen sich auch auf Kupferwerkstoffe übertragen. Jedoch gibt es einiges zu beachten, damit der Fügeprozess erfolgreich verläuft. Der Vortrag behandelt die grundsätzlichen Möglichkeiten, Herausforderungen und Lösungswege beim Schweißen und auch Löten von Kupfer- und Kupferlegierungen.

Steckverbinder sind wichtige Bauteile, welche elektrische Signale und elektrischen Strom zwischen zwei Punkten übertragen. Neben den Grundlagen des statischen und dynamischen Kontaktwiderstands geht es bei diesem Vortrag um die richtige Werkstoffauswahl (Legierungsmöglichkeiten und Eigenschaften) für Steckverbinder sowie um deren Oberflächenbehandlung, wie z.B. Beschichtungen. Ein weiterer Aspekt dieses Beitrages ist die mitunter sehr anspruchsvolle Messtechnik, welche bei der Auslegung und Prüfung von Steckverbindern zum Einsatz kommt.