„Lässt sich massives Kupfer 3D-drucken?“ Als der Gründer von Kupros, Ian Ramsdell, diese Frage an Elektronikspezialisten stellte, schlug ihm reichlich Skepsis entgegen. Ein Experte, so erinnert sich Ramsdell, beharrte darauf, dass es unmöglich sei und immer bleiben werde: „Kupfer kann nicht 3D-gedruckt werden und wird nie 3D-gedruckt.“ Was dieser Experte nicht wusste: Ramsdell arbeitete bereits auf Grundlage eines bestätigten Laborexperiments, das das US-Militär Jahre zuvor durchgeführt und validiert hatte.
In genau diesem Kluft zwischen „unmöglich“ und „im Labor längst bewiesen“ liegt die Gründungsgeschichte von Kupros und seinem Vorzeigeprodukt Cu29: einem vollständig metallischen, leitfähigen Filament, das auf gewöhnlichen FDM-Druckern (Fused Deposition Modeling) verarbeitet werden kann, d.h. auf genau jener Desktop-Hardware, die in den meisten Werkstätten ohnehin schon steht. Der Anspruch reicht dabei weit über gedruckte Schaltungen hinaus. Da der Leiter im selben Druckvorgang gemeinsam mit dem strukturellen Kunststoff extrudiert wird, zielt Cu29 auf integrierte Sensoren, eingebettete Signalführung sowie formangepasste Antennen und Leiterbahnen, die der Geometrie eines Bauteils folgen, statt auf einer flachen Platine zu sitzen. In der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich, wo Kupros die stärkste frühe Nachfrage verzeichnet, ist das Versprechen konkret: weniger Kabelbäume, Steckverbinder und Verbindungselemente, Strukturüberwachung direkt in tragenden Bauteilen und schnellere Iterationen, weil sich elektrisches und mechanisches Design gemeinsam weiterentwickeln. „Nur weil jemandem gesagt wurde, etwas sei unmöglich, heißt das nicht, dass es sich nicht machen lässt“, so Ramsdell.
Cu29 lässt sich zur Entwicklung eingebetteter Elektronik einsetzen.
NASA, Northrop und Boeing bestellten Cu29 vor, bevor es überhaupt existierte
Der Markt entschied sich, bevor das Material fertig war. Nach seiner Aufnahme als Finalist des Army-xTech-Wettbewerbs auf der DMC-Konferenz 2022 in Tampa verließ Ramsdell die Veranstaltung mit vorausbezahlten Aufträgen von NASA, Northrop und Boeing. Weitere Vorbestellungen von KBR, dem US Army DEVCOM und mehreren Universitäten folgten. Die Käufer legten Geld auf den Tisch, während die Materialforschung noch lief. „Sie waren bereit, mir im Voraus zu zahlen, um als Erste Zugriff auf das Material zu bekommen, sobald es aus der Produktion kam“, sagt er. Für ein Materialstartup, das noch keinerlei Umsatz erwirtschaftete, ist das ein ungewöhnlicher Vertrauensbeweis.
Entstanden im Navy-Labor
Die zugrunde liegende Technologie stammt aus einem Labor der US Navy. Ramsdell schreibt sie dem Wissenschaftler Carson Holmes zu, der damals als Techniker an Systemen für additiv gefertigte Elektronik von Optomec, Nano Dimension und nScript arbeitete. Diese Maschinen im siebenstelligen Preisbereich basierten auf Silbertinten-Inkjet-Verfahren mit deutlichen Einschränkungen: „Wegen der Porosität der Leiterbahnen sind sie mitunter auf Anwendungen mit niedriger Spannung und geringer Stromstärke beschränkt“, erläutert Ramsdell. Holmes‘ Vorschlag für einen besseren Weg wurde 2017 im Rahmen des Design Innovation Award des Office of Naval Research als bestes Paper des Jahres ausgezeichnet und blieb anschließend ungenutzt liegen, bis Ramsdell ihn 2021 über ein Startup-Studio des US-Verteidigungsministeriums lizenzierte.
Genau dieser Weg erklärt, warum er an einem Material festhielt, das andere längst abgeschrieben hatten: Statt auf unerprobte Wissenschaft zu setzen, griff er auf eine Technologie zurück, deren Risiken ein staatliches Forschungslabor bereits ausgeräumt hatte. Das Problem, das er lösen wollte, war kein Nischenthema, sondern ein langjähriges: „Ein sehr, sehr großer Elektronikhersteller sagte uns, er versuche seit den 1990er-Jahren, ein ähnliches Material herzustellen, bislang ohne Erfolg.“
Warum sich Kupfer so schwer 3D-drucken lässt
Die Schwierigkeit liegt in der Natur des Metalls selbst. „Kupfer ist stark reflektierend, es leitet Wärme äußerst effizient ab und oxidiert schon bei der geringsten Temperaturänderung“, so Ramsdell weiter. Diese Kombination hat den Kupferdruck jahrzehntelang über alle Verfahrensfamilien hinweg ausgebremst. Die Lösung dieses Problems, argumentiert er, öffne eine Tür, die weit über leitfähige Leiterbahnen hinausführe. Das Team kann das Material inzwischen gezielt dotieren, um Eigenschaften wie Strahlenabschirmung oder manipulationssichere Strukturen zu erzielen, „damit niemand Komponenten röntgen kann, um sie nachzukonstruieren“.
Der Druck mit leitfähigem Filament ermöglicht eingebettete Signalführung, integrierte Sensoren, formangepasste Leiterbahnen, eingebettete Antennen und vieles mehr.
Entwickelt für Hardware, die Sie bereits besitzen
Das Verkaufsargument steht und fällt mit dem Zugang zur Technologie. Additiv gefertigte Elektronik bedeutete bislang Maschinen im sechs- bis siebenstelligen Preisbereich. Cu29 ist dagegen darauf ausgelegt, mit vorhandener Ausstattung zu funktionieren: Ramsdell hat es auf Desktop-Druckern für unter 300 Dollar verarbeitet, ebenso auf einem Bambu Lab A1 Mini samt automatisiertem Materialsystem; der Prusa XL wird gerade als empfohlene Plattform qualifiziert. Außer einem Hotend aus Stahl sind keinerlei Umbauten am Drucker nötig. Und laut Kupros ist eine gedruckte Leiterbahn direkt nach dem Druck funktionsfähig – ohne Sintern, Beschichten, Aushärten oder chemische Nachbehandlung. Das steht in deutlichem Gegensatz zum Wartungsaufwand der Silbertinten-Verfahren.
Bemerkenswert ist dabei: Cu29 ist nicht dafür gedacht, massive Metallbauteile zu erzeugen, so wie PLA massive Kunststoffteile erzeugt. Nach Ramsdells Angaben hat das Team bislang nur „fünf oder sechs Schichthöhen“ in der Z-Achse gedruckt, hauptsächlich um die Selbsthaftung zu testen; man versuche „derzeit nicht, in die dritte Dimension zu bauen“. Der Fokus liegt vielmehr auf eingebetteter Elektronik. Das Filament fungiert als Leiter, der in und auf Polymerstrukturen eingebracht wird, weshalb der Arbeitsablauf zwangsläufig ein Mehrmaterialprozess ist: Strukturkunststoff und Cu29 werden gemeinsam gedruckt, häufig auf einer Maschine mit Doppelextruder oder IDEX-System, sodass der Strompfad bereits beim Aufbau des Bauteils entsteht. „Statt herkömmliche Bauteile direkt auf die Leiterplatte zu setzen, platziert man sie tatsächlich direkt am Ort des Bedarfs.“
Die Leistungsdaten
Im Mittelpunkt stehen die Leistungswerte von Kupros, die Ramsdell ausdrücklich als vorläufig bezeichnet. In frühen Hochspannungstests jagte das Unternehmen 12.500 Volt durch das Material, ohne es zu zerstören und erhöhte anschließend immer weiter die Stromstärke. „Wir haben ein Netzteil nach dem anderen zerschossen und bekamen einfach nicht genug Strom zusammen, um wirklich einen Zerstörungstest durchzuführen“, sagt er. Später trieb eine Superkondensator-Bank nach seiner Schätzung deutlich über 600 Ampere durch eine kurze Materialprobe, erneut ohne Ausfall. Gegenüber Silbertinten-Inkjet, dem einzigen vergleichbaren additiven Material, sei Cu29 um 48.000 % leitfähiger, so Ramsdell. Diese Zahlen stammen vom Unternehmen selbst und stehen noch unter dem Vorbehalt einer unabhängigen Bestätigung. Die Positionierung ist jedoch eindeutig: ein einziges Material für Anwendungen mit hoher wie mit niedriger Leistung, etwas, das die etablierte Verfahrenschemie nicht leisten kann. Auf der RAPID erhielt Kupros dieses Jahr zudem den TCT Materials Award.
Eine raumfahrttaugliche Variante in Entwicklung
Derzeit arbeitet Kupros an Cu29 Space, einer Variante des Basismaterials, die auf das Problem der Zinn-Whisker abzielt. Zinn-Whisker entstehen, wenn aus zinnhaltigen Leitern winzige metallische Härchen wachsen, die benachbarte Leiterbahnen überbrücken und so Kurzschlüsse auslösen können. Besonders riskant ist das in der Raumfahrt, wo sich Hardware nicht warten lässt und ein einziger Kurzschluss eine ganze Mission beenden kann. Laut Kupros ist die Space-Variante so formuliert, dass die Whiskerbildung bei Leiterbahnen von 0,2 bis 1,2 mm auf handelsüblicher FDM-Hardware vollständig ausbleibt. Denkbare Einsatzgebiete sind Leiter für Leistungsanwendungen, nicht-planare und modulare Elektronik sowie eingebettete Sensoren und Antennen.
Was Cu29 für die additive Elektronikfertigung bedeutet
Der Firmenname greift auf die früheste Geschichte des Metalls zurück. „Kupros ist das griechische Wort für Kupfer“, merkt Ramsdell an, „und die Griechen waren die allererste menschliche Zivilisation, die in die Kupferzeit eintrat.“ Für einen Gründer, dem man immer wieder sagte, seine Kernidee sei unmöglich, ist diese Einordnung durchaus bewusst gewählt.
Für eine AM-Branche, die noch immer auf das Versprechen funktionaler Multimaterial-Bauteile direkt vom Druckbett wartet, ist ein leitfähiges Metallfilament, das auf gängiger Standardhardware läuft – und bereits eine raumfahrttaugliche Linie in der Pipeline hat – ein echter Fortschritt. Vorausgesetzt, die Leistungswerte halten der Prüfung stand. Wenn Sie mehr über Kupros erfahren möchten, besuchen Sie die Website des Unternehmens HIER.
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*Bild: Kupros