Ziel der Entwicklung
Ausgangspunkt des Projekts CuWAn war ein klar formulierter Impuls aus der industriellen Anwendung des Plasmaspritzens, bei dem Anoden aus Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffen als hoch beanspruchte Verschleißbauteile eingesetzt werden. Anwender aus der Beschichtungsindustrie berichten seit Jahren von einer unzureichenden Standzeit konventionell gefertigter Anoden sowie von hohen Kosten, die durch häufige Anodenwechsel, Anlagenstillstände und Ersatzbeschaffung entstehen. Ursache hierfür sind insbesondere Schwächen in der Grenzschicht zwischen Wolfram und Kupfer, die unter thermischer und mechanischer Belastung zu Delamination, reduzierter Kühlwirkung und letztlich zum vorzeitigen Ausfall der Anoden führen.
Konventionelle Herstellungsverfahren für Wolfram-Kupfer-Anoden (z. B. Sintern, Löten, mechanisches Fügen) stoßen hierbei an technologische Grenzen. Die begrenzte Gestaltungsfreiheit erlaubt keine optimierte interne Kühlkanalführung, und die metallurgische Verbindung der beiden Werkstoffe ist nur eingeschränkt belastbar. Gleichzeitig sind diese Verfahren kostenintensiv und mit hohem Material- und Bearbeitungsaufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund besteht aus wirtschaftlicher Sicht ein deutlicher Bedarf an alternativen Fertigungskonzepten, die sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Wirtschaftlichkeit dieser Schlüsselkomponenten verbessern.
Vorteile und Lösungen
Ziel des Projekts war es daher, ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von Kupfer-Wolfram-Verbundbauteilen zu entwickeln, das eine qualitativ hochwertige, reproduzierbare und wirtschaftlich tragfähige Multimaterialverbindung ermöglicht. Im Fokus stand die Entwicklung einer stabilen Grenzschicht zwischen Wolfram und Kupfer unter Nutzung des Laserstrahl-Pulverbettschmelzens (PBF-LB), ergänzt durch die Untersuchung alternativer Prozessstrategien wie gradierter Materialübergänge und hybrider Ansätze. Ein zentrales Entwicklungsziel war dabei die Reduzierung thermischer Spannungen sowie die Verbesserung der Wärmeabfuhr im Bereich der materialkritischen Übergangszone.
Ein weiterer wesentlicher Impuls aus der Wirtschaft bestand in der Forderung nach einer verbesserten Kühlleistung der Anoden. Durch die additive Fertigung sollten neue, frei gestaltbare Kühlkanalgeometrien realisiert werden, die mit konventionellen Verfahren nicht oder nur mit erheblichem Aufwand umsetzbar sind. Die gezielte Optimierung der Bauteilgeometrie sollte zu niedrigeren Betriebstemperaturen, einer homogeneren Temperaturverteilung und damit zu einer verlängerten Standzeit der Anoden führen.
Zusammenfassend zielte das Projekt CuWAn darauf ab, ein konkretes industrielles Problem, den hohen Verschleiß und die hohen Kosten von Wolfram-Kupfer-Anoden, durch den Einsatz additiver Fertigungstechnologien systematisch zu adressieren. Durch die Kombination aus neuer Prozessentwicklung, optimierter Multimaterialverbindung und funktional angepasstem Bauteildesign sollte eine technisch überlegene und wirtschaftlich attraktive Alternative zur konventionellen Anodenherstellung geschaffen werden, deren Ergebnisse auch auf weitere Anwendungen mit vergleichbaren Materialkombinationen übertragbar sind.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die primäre Zielgruppe der im Projekt CuWAn entwickelten Technologie sind industrielle Anwender aus dem Bereich der thermischen Spritztechnik, insbesondere Betreiber von Plasmaspritzanlagen, Lohnbeschichter sowie Hersteller von Anlagen und Brennersystemen. Diese Unternehmen setzen Wolfram-Kupfer-Anoden als zentrale Verschleißkomponenten ein und sind direkt von deren Standzeit, Zuverlässigkeit und Kostenstruktur abhängig.
Weitere Zielgruppen ergeben sich in angrenzenden Industriezweigen, in denen hochbelastete Kupfer-Wolfram-Verbundbauteile eingesetzt werden, etwa in der Leistungselektronik, der Energietechnik, der Luft- und Raumfahrt sowie im Anlagen- und Maschinenbau. Insbesondere Anwendungen mit hohen thermischen Lasten und Anforderungen an eine effiziente Wärmeabfuhr stellen potenzielle Einsatzfelder dar. Der Zielmarkt ist dabei nicht auf Deutschland beschränkt, sondern international ausgerichtet, da Plasmaspritztechnik und vergleichbare Hochtemperaturprozesse weltweit industriell genutzt werden.
Anwender profitieren von den Projektergebnissen in mehrfacher Hinsicht. Durch die additiv gefertigten Kupfer-Wolfram-Anoden mit optimierter Multimaterialverbindung und angepasster interner Kühlkanalgeometrie wird eine verbesserte Kühlleistung erzielt, was zu niedrigeren Betriebstemperaturen und einer homogeneren Temperaturverteilung führt. Daraus resultiert eine potenziell verlängerte Standzeit der Anoden sowie eine höhere Prozessstabilität. Gleichzeitig ermöglicht die additive Fertigung eine Reduzierung der Herstellungskosten gegenüber konventionellen Verfahren, sodass selbst bei vergleichbarer Standzeit wirtschaftliche Vorteile entstehen. Zusätzlich profitieren Anwender von einer höheren geometrischen Flexibilität, die eine anwendungsspezifische Anpassung der Anoden erlaubt.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in Anwenderunternehmen erfolgt über mehrere Wege. Zum einen können die im Projekt entwickelten Prozessstrategien und Konstruktionsansätze direkt von Industriepartnern und interessierten Anwendern übernommen und in bestehende Fertigungs- und Anwendungsketten integriert werden. Zum anderen ist eine Weitergabe der Ergebnisse über Demonstratorbauteile, technische Berichte, Fachveröffentlichungen sowie Präsentationen auf Fachveranstaltungen und Branchentreffen vorgesehen. Die SLV Mecklenburg-Vorpommern kann hierbei als Transferpartner fungieren, indem sie die Technologie im Rahmen von Auftragsforschung, Machbarkeitsstudien oder technologieoffenen Beratungsleistungen in industrielle Anwendungen überführt.
Für die eigene Einrichtung werden durch das Projekt mehrere wirtschaftliche Effekte erwartet. Die entwickelten Kompetenzen im Bereich der additiven Multimaterialfertigung stärken das Leistungsportfolio der SLV Mecklenburg-Vorpommern und eröffnen neue Geschäftsfelder in der anwendungsnahen Forschung, der industriellen Beratung sowie der Prototypen- und Kleinserienfertigung. Langfristig ist mit zusätzlichen Einnahmen durch FuE-Kooperationen, industrielle Entwicklungsaufträge und Folgeprojekte zu rechnen. Darüber hinaus erhöht die erfolgreiche Demonstration der Technologie die Sichtbarkeit der Einrichtung und ihre Attraktivität als Innovationspartner für Industrieunternehmen.
Konkrete Anwendungsbeispiele wurden im Rahmen des Projekts bereits erprobt. So konnten additiv gefertigte Anoden erfolgreich in eine Plasmaspritzanlage eingebaut werden, wobei die Passgenauigkeit und Funktionsfähigkeit unter realitätsnahen Bedingungen nachgewiesen wurde. Ergänzende thermische Belastungstests zeigten eine verbesserte Kühlwirkung gegenüber konventionellen Anoden. Diese Demonstratoren bilden eine belastbare Grundlage für weiterführende industrielle Tests und eine spätere Überführung in den operativen Einsatz.
