Schnell und gleichmäßig temperiert. Einfluss von Modifizierungen der Kühlkanäle auf das thermische Verhalten von Druckgießformen

Das mit Mitteln der Europäischen Union geförderte Forschungsprojekt Foinmoulds untersucht Einflüsse von Metallschaumeinlagen in Kühlkanälen von Druckgießformen auf das thermische Verhalten und insbesondere auf den Wärmetransport. Dabei wurden vier Metallschaumvarianten (Stahlschaum aus Warmarbeitsstahl X38CrMoV5-1, Reinaluminiumschaum, Aluminiumschaum aus AlSi9Cu3 und Nickel-Superlegierungsschaum aus 60 % Ni, 20 % Cr und 20 % Fe+Mo+Nb) eingesetzt. Porosität, Porenstruktur, Volumenstrom und Oberflächenrauigkeit erwiesen sich als wesentliche Einflussfaktoren für den Strömungswiderstand: den niedrigsten Strömungswiderstand wiesen Aluminiumstrukturschaum-Einlagen und, nur bei hohen Volumenströmen, Schaumeinlagen aus Nickel-Superlegierungen auf. Im Bereich der Verfahren zur Anbringung der Metallschäume in den Kühlkanälen wurden Einpressen, Kleben und Löten untersucht und hinsichtlich Aufwand, Intensität des Wärmekontaktes und Stabilität der Bindung bewertet. Um das Wärmetransportverhalten zu untersuchen, wurden in einem praxisnahen Laborversuch der Temperaturverlauf in Stahlblöcken (Kaltarbeitsstahl 1.2312: 40CrMnMoS8-6) mit 10 mm und 20 mm durchmessenden Kühlkanälen in 20 mm bis 30 mm Entfernung zur Blockoberfläche ohne und mit Metallschaumeinsätzen ermittelt. Die Versuche zeigten, dass technische Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmetransportes nur unter Berücksichtigung des Gesamtsystems (Heizgeräte, Zuleitungen, Formmaterial, Durchmesser der Kühlkanäle) bewertet werden können; die Erweiterung des Kühlkanaldurchmessers von 10 auf 15 mm bewirkte eine sich gegenseitig nahezu kompensierende Verbesserung und Verschlechterung des Wärmetransportes als Folge der Verringerung des effektiven Abstandes des Kühlkanals von der Blockoberfläche und der Verschlechterung des Wärmeübergangs vom Temperieröl zum Metall, während bei 18 mm Kühlkanaldurchmesser die Kühlkanallänge bestimmend wurde für die Effektivität der Kühlung. Der Einsatz von Metallschaum-Einlagen im Kühlkanal verbesserte den Wärmetransport zwischen Temperieröl und Block, wobei sich verschiedene Metallschäume in ihrer Wirksamkeit kaum unterschieden, und erhöhte den Druck im Gesamtleitungssystem geringfügig. Nach den Vorversuchen wurden weitere Versuche mit Thixocast-Gießformen mit in die Kühlkanäle eingeschobenen Metallschäumen durchgeführt (Kühlkanaldurchmesser 12 mm, Abstand zur Formoberfläche 26 mm), und zuletzt praxisnahe Versuchsreihen beim Druckgießen von Aluminiumlegierungen auf einer Druckgießmaschine Frech 315 TN. Diese Versuche belegten einen positiven Einfluss von Metallschaumeinsätzen selbst bei lediglich eingesteckten Einsätzen mit unvorteilhaften Wärmekontaktbedingungen, insbesondere ließen sich dickwandige Bereiche mit Metallschaumeinsätzen schneller kühlen und die abgeführte Wärme in nachgelegene Bereiche transportieren, so dass insgesamt eine stärkere Homogenität der Temperaturverteilung in der Form erzielt werden konnten. Die verbesserte Temperaturverteilung führte zu einer Erhöhung der Bauteilqualität und der Prozessstabilität.