Fließgepresste Kühlkörper
Quadratische, rechteckige oder runde Pin-Fin und High-Fin oder Cross-Cut Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer für kleine Bauräume. (...)
Fließpressen von Kühlkörpern: Verfahren, Vorteile und Grenzen
Fließpressen ist ein Massivumformverfahren, bei dem ein Rohteil (Butzen) zwischen Stempel und Matrize unter hohem Druck zum Fließen gebracht wird. Der Werkstoff füllt die Kavitäten des Werkzeugs und bildet Bodenplatte und Pins oder Rippen als ein zusammenhängendes Bauteil. Beim Kaltfließpressen geschieht das ohne Vorwärmen, bevorzugt mit gut umformbaren Werkstoffen wie Reinaluminium oder Kupfer.
In einem Gespräch mehr erfahrenWas ist Fließpressen?
Fließpressen zählt zu den Druckumformverfahren nach DIN 8583 und gehört dort zur Gruppe Durchdrücken (DIN 8583-6), zusammen mit Strangpressen und Verjüngen. Anders als beim Strangpressen, das aus einem erwärmten Block lange Profilstränge erzeugt, entstehen beim Fließpressen einzelne Werkstücke in einem geschlossenen Werkzeug.
Ein Stempel drückt das Rohteil in die Matrize. Dort steht der Werkstoff unter allseitigem Druck, lässt sich dadurch stark umformen, ohne zu reißen, und füllt Bohrungen und Hohlräume des Werkzeugs. So entstehen Pins, Stege oder Näpfe, die mit dem restlichen Bauteil aus einem Stück bestehen.
Fließpressverfahren nach Werkstofffluss
Unterschieden wird nach der Fließrichtung des Werkstoffs im Verhältnis zur Stempelbewegung. Nach der Form des Werkstücks spricht man außerdem von Voll-, Hohl- und Napf-Fließpressen. Bei Pin-Kühlkörpern legt die Werkzeugauslegung fest, ob die Pins in Stempelrichtung oder entgegen der Stempelbewegung ausgeformt werden.
Vorwärtsfließpressen: Der Werkstoff fließt in Richtung der Stempelbewegung, zum Beispiel durch Öffnungen in der Matrize. Typische Teile sind Wellen, Bolzen und Zapfen.
Rückwärtsfließpressen: Der Werkstoff fließt entgegen der Stempelbewegung, meist durch den Spalt zwischen Stempel und Matrize. So entstehen Näpfe, Hülsen und dünnwandige Gehäuse.
Querfließpressen: Der Werkstoff fließt quer zur Stempelbewegung in seitliche Kavitäten, etwa für Flansche, Bunde oder seitliche Ansätze.
Kombiniertes Fließpressen: Mehrere Fließrichtungen treten im selben Hub auf, zum Beispiel bei einem Napf mit gleichzeitig vorwärts gepresstem Zapfen.
Kaltfließpressen, Halbwarm- und Warmfließpressen
Beim Kaltfließpressen wird das Rohteil ohne Vorwärmen umgeformt. Das Verfahren erreicht gute Maßhaltigkeit und saubere Oberflächen, und die Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit des fertigen Teils. Voraussetzung ist ein gut umformbarer Werkstoff. Reinaluminium und Kupfer erfüllen das besonders gut, deshalb ist Kaltfließpressen bei Kühlkörpern aus diesen Werkstoffen verbreitet.
Beim Halbwarm- und Warmfließpressen wird das Rohteil vorgewärmt. Das senkt die Fließspannung und damit die nötige Presskraft. Diese Varianten kommen vor allem bei Stahl und schwer umformbaren Legierungen zum Einsatz, wenn die Kräfte beim Kaltumformen zu hoch würden oder der Werkstoff reißen könnte.
So entsteht ein fließgepresster Kühlkörper
Die einzelnen Schritte hängen von Werkstoff, Geometrie und Stückzahl ab. Ein typischer Ablauf für Pin-Kühlkörper sieht so aus:
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Rohteil vorbereiten: Die Butzen werden aus Stangen- oder Plattenmaterial gesägt oder gestanzt und bei Bedarf weichgeglüht.
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Schmieren: Ein Schmierstoff auf der Oberfläche senkt die Reibung und verhindert, dass der Werkstoff am Werkzeug haftet.
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Pressen: Der Stempel drückt den Butzen in die Matrize. Der Werkstoff fließt in die Bohrungen oder Kavitäten und bildet Pins oder Rippen, die mit der Bodenplatte aus einem Stück bestehen.
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Auswerfen: Ein Auswerfer löst das Bauteil aus dem Werkzeug.
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Nachbearbeiten: Je nach Anforderung werden die Montagefläche plangefräst, Bohrungen und Gewinde eingebracht, die Pins auf einheitliche Höhe gekürzt und die Oberfläche veredelt, etwa durch Eloxieren.
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Funktionselemente einpressen: Heatpipes oder Kupfereinsätze in der Bodenplatte verteilen die Wärme von Hotspots auf die gesamte Pinstruktur.
Vorteile und Grenzen fließgepresster Kühlkörper
Vorteile
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Pins und Bodenplatte bestehen aus einem Stück. Es gibt keine Füge- oder Klebestelle und damit keinen zusätzlichen Kontaktwiderstand im Wärmepfad.
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Reinaluminium wie EN AW-1050A lässt sich verarbeiten. Es leitet Wärme mit rund 230 W/(m·K), die Strangpresslegierungen EN AW-6060 und EN AW-6063 erreichen etwa 200 W/(m·K).
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Das Gefüge ist dicht und porenfrei, der Faserverlauf folgt der Kontur. Bei Druckguss können dagegen Gasporen und Lunker auftreten.
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Runde oder eckige Pins lassen Luft aus mehreren Richtungen durch die Struktur strömen. Das passt für Kreuz- und Querbelüftung und für Einbaulagen mit wechselnder Strömungsrichtung.
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Die Werkstoffausnutzung ist hoch, weil endkonturnah umgeformt statt aus dem Vollen zerspant wird.
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In der Serie sind die Taktzeiten kurz: Die gesamte Kühlstruktur entsteht beim Pressen und wird nicht Rippe für Rippe gefertigt.
Grenzen
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Pinhöhe und Schlankheit der Pins sind begrenzt. Je länger der Fließweg, desto höher sind die nötige Presskraft und die Belastung des Werkzeugs.
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Die Abstände zwischen den Pins lassen sich nicht beliebig verkleinern, weil die Stege der Matrize zwischen den Bohrungen eine Mindeststärke brauchen.
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Sehr dünne Bodenplatten sind schwer umsetzbar, da die Presskraft mit abnehmender Restbodendicke stark ansteigt.
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Jede Geometrie braucht ein eigenes Werkzeug. Die Werkzeugkosten sind vergleichsweise gering, rechnen sich aber erst in der Serie. Für Prototypen und sehr kleine Stückzahlen ist Zerspanen oft wirtschaftlicher.
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Montageflächen, Bohrungen, Gewinde und enge Toleranzen erfordern meist eine spanende Nachbearbeitung.
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Hochfeste Aluminiumlegierungen lassen sich kalt deutlich schlechter fließpressen als Reinaluminium.
Fließpressen, Strangpressen, Zerspanen oder gefügte Lamellen?
Welches Verfahren passt, hängt von Geometrie, Leistungsdichte, Bauraum und Stückzahl ab. Die vier gängigen Wege zum Luftkühlkörper im Überblick:
Fließpressen (PinFin)
Bodenplatte und Pins entstehen aus einem Stück. Die Pins lassen sich flächig in beiden Richtungen anordnen, rund oder eckig. Als Werkstoffe kommen Reinaluminium oder Kupferlegierungen zum Einsatz. Stark bei kompakten Kühlkörpern in Serie.
Strangpressen (ExtruFin)
Ein erwärmter Aluminiumblock wird durch eine Matrize gepresst. Es entsteht ein Profil mit konstantem Querschnitt, die Rippen verlaufen nur in Pressrichtung. Typische Legierungen sind EN AW-6060 und EN AW-6063. Wirtschaftlich bei langen Kühlkörpern und Standardprofilen.
Zerspanen
Pins, Rippen und Kanäle werden aus dem Vollen gefräst. Es fallen keine Werkzeugkosten an und die Gestaltungsfreiheit ist groß, dafür sind Materialabtrag und Bearbeitungszeit je Teil hoch. Gut geeignet für Prototypen und Kleinserien.
Gefügte Lamellen (BondFin)
Einzelne Lamellen werden mit der Bodenplatte verlötet, verklebt oder verschweißt. So sind sehr hohe, dünne und dicht stehende Rippen und große Abmessungen möglich. Die Fügeverbindung ist Teil des Wärmepfads und wird entsprechend ausgelegt.
PinFin: fließgepresste Kühlkörper von COOLTEC
PinFin-Kühlkörper von COOLTEC werden im Fließpressverfahren hergestellt. Die senkrecht stehenden Pins sind rund oder eckig, sodass die Luft aus mehreren Richtungen durch die Struktur strömen kann.
Werkstoffe: Reinaluminium wie EN AW-1050A mit 99,5 % Aluminiumanteil oder Kupferlegierungen
Niedrige Werkzeugkosten ermöglichen viele Varianten und angepasste Bauformen
Kompakte Geometrien für kleinen Bauraum
Optional mit eingepressten Heatpipes und Kupfereinsätzen als Wärmespreizer
Typische Anwendungen: LED-Beleuchtung, Steuerungselektronik, Leistungselektronik und industrielle Automatisierung
Du bist unsicher, ob Fließpressen, Strangpressen oder Zerspanen für deine Geometrie und Stückzahl am besten passt? Unser Engineering-Team prüft deine Anforderungen und unterstützt dich bei der Auslegung.
PinFin-Kühlkörper ansehen
Häufige Fragen zum Fließpressen
Beide Verfahren gehören nach DIN 8583-6 zum Durchdrücken. Beim Strangpressen wird ein erwärmter Block durch eine Matrize gepresst, es entstehen lange Profile mit gleichbleibendem Querschnitt. Beim Fließpressen wird ein einzelnes Rohteil in einem geschlossenen Werkzeug umgeformt, häufig kalt. So entstehen Einzelteile mit Strukturen in mehreren Richtungen, etwa flächige Pinfelder.
Kaltfließpressen ist Fließpressen ohne Vorwärmen des Rohteils. Es liefert gute Maßhaltigkeit und saubere Oberflächen, und die Kaltverfestigung steigert die Festigkeit. Geeignet sind vor allem gut umformbare Werkstoffe wie Reinaluminium, Kupfer und kohlenstoffarme Stähle.
Bewährt haben sich Reinaluminium wie EN AW-1050A und Kupferlegierungen. Reinaluminium lässt sich sehr gut kalt umformen und leitet Wärme mit rund 230 W/(m·K) besser als typische Strangpresslegierungen mit etwa 200 W/(m·K). Kupfer leitet Wärme noch besser, ist aber schwerer und teurer.
Das hängt von Geometrie, Werkstoff und Werkzeugaufwand ab. Weil jede Geometrie ein eigenes Werkzeug braucht, rechnet sich Fließpressen vor allem in der Serie. Für Prototypen und sehr kleine Stückzahlen ist Zerspanen oft günstiger. Unser Engineering-Team berät dich gern zur passenden Fertigungsvariante.
Pins und Bodenplatte bestehen aus einem Stück, daher gibt es keinen Kontaktwiderstand an einer Fügestelle. Dazu kommen das dichte Gefüge und gut wärmeleitende Werkstoffe wie Reinaluminium. Die Pinstruktur vergrößert die Oberfläche und lässt Luft aus mehreren Richtungen zu.
Fließgepresster Kühlkörper für deine Anwendung?
Schick uns Bauraum, Verlustleistung und geplante Stückzahl. Unser Engineering-Team prüft, ob Fließpressen das passende Verfahren ist, und unterstützt dich bei Auslegung und Auswahl.
