Gezielte Steigerung der Wärmeleiteigenschaften von Al-/Cu Hybridkomponenten durch Pulverpressen und Formgebung im teilflüssigen Zustand

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544870268

Im Rahmen der Elektrifizierung des Automobils und der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien entwickelt sich die Leistungselektronik zu einer Schlüsseltechnologie für die zukünftige Mobilität und Energieversorgung. Aufgrund der hohen thermischen Belastung solcher Leistungselektronikkomponenten stellt jedoch die Kühlung derselben eine große Herausforderung dar. Hybride Materialsysteme bieten hierbei die Möglichkeit, unterschiedliche mechanische und thermische Materialeigenschaften für unterschiedliche Funktionen in einem Bauteil zu kombinieren. Dabei sollte bei der Herstellung von hybriden Bauteilen besonderes Augenmerk auf die Grenzschicht zwischen den beiden metallischen Partnern gelegt werden. Im Rahmen des hier beantragten Forschungsvorhabens soll daher eine neuartige Prozessroute zur Herstellung von grenzflächenoptimierten Aluminium Kupferverbundbauteilen entwickelt bzw. untersucht werden. Der hierbei verfolgte Lösungsansatz basiert auf der Infiltration graduierter, poröser Kupfergrünlinge mittels einer teilflüssigen Aluminiumlegierung. Ziel ist es, durch diese Infiltration des Kupfergrünlings die Kontaktfläche zwischen den Verbundpartnern zu vergrößern und Einschlüsse von Luft sowie die Bildung von intermetallischen Phasen zu vermeiden. Somit soll eine form- und stoffschlüssige Verbindung im Grenzbereich zwischen Kupfer und Aluminium erzeugt werden, welche zu einer Verbesserung der thermischen Eigenschaften, insbesondere des Wärmeübergangs, führt. Im Einzelnen gilt es, durch den Einsatz geeigneter Simulationsmodelle sowohl das Pulverpressen als auch die Formgebung bzw. den Infiltrationsprozess numerisch abbilden zu können. Anschließend wird das experimentell validierte Simulationsmodell verwendet, um die vorhandenen Verfahrensgrenzen in Bezug auf die Herstellung von graduierten Kupfergrünlingen sowie die für die Infiltration der Kupfergrünlinge idealen Prozessparameter zu bestimmen. Daraufhin werden Kupfergrünlinge mit unterschiedlichen Höhe/Durchmesser Verhältnissen und unterschiedlichen Dichte-verteilungen hergestellt und diese unter Verwendung der numerisch ermittelten Prozessparameter mit der teilflüssigen Aluminiumlegierung AlSi7Mg0,6 infiltriert. Im Anschluss wird der auftretende stoffliche Übergang zwischen den beiden Werkstoffen charakterisiert. Anhand der gemessenen Wärmeleitfähigkeit im Grenzbereich erfolgt ein Vergleich der Bauteile zu konventionellen Verbindungen. Zusammenfassendes Ziel des Forschungsvorhabens ist es somit, die Wärmeleitfähigkeit im Grenzbereich von Hybridbauteilen aus Aluminium und Kupfer erheblich zu steigern und eine numerische Prozessauslegung zur Herstellung entsprechender hybrider Bauteile zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen