Konformales Kühlen von Formen – 3D-Druck von Einlagen und Optimierung 2025

Einführung in das konformale Kühlen

Steigende Anforderungen an die Verkürzung der Zykluszeit, stabile Qualität und Energiereduktion machen es erforderlich, dass traditionelle gerad gebohrte Kühlkanäle nicht mehr ausreichen. Spritzgießmaschinen mit Werkzeugen, die mit konformgeführten Kanälen ausgestattet sind, sorgen für ein gleichmäßigeres Temperaturprofil, was kürzere Kühlzeiten und geringere Verformung der Teile ermöglicht. Der Metall-3D-Druck (L-PBF, DMLS) hat den Weg für freies Design von Einsätzen geebnet, die der Werkzeuggeometrie exakt folgen.

In diesem Artikel geben wir einen praxisnahen Leitfaden zu konformen Lösungen – von der Definition über die Entwicklungsgeschichte bis hin zur Parametrierung und Wartung. Der Inhalt richtet sich an Prozessingenieure, Werkzeugmacher und Betriebsleiter, die bewusst in Premium-Werkzeuge investieren und das Potenzial von elektrischen und hybriden Spritzgießmaschinen ausschöpfen möchten.

Globale Berichte zeigen, dass 60% der Kosten eines geformten Teils auf die Zykluszeit entfallen. Wenn Sie die Kühlung um wenige Sekunden verkürzen, erzielen Sie enorme Einsparungen im Jahresverlauf. Konformgekühlte Werkzeuge helfen zudem, ESG-Ziele zu erreichen – kürzere Verweilzeiten der Teile im Werkzeug bedeuten geringeren Energieverbrauch und CO₂-Emissionen pro Stück. Dies wird in OEM-Ausschreibungen entscheidend, wo Lieferanten konkrete Umweltdaten vorlegen müssen.

Praktisch erfordert die Einführung konformen Kühlens interdisziplinäre Zusammenarbeit: Spritzguss-Technologen, CAD-Konstrukteure, 3D-Druck-Spezialisten und Wartungsteams. Der Artikel zeigt, wie diese Teams Investitionen gemeinsam planen können, um maximale Vorteile zu erzielen und Fehler zu vermeiden.

Was ist konformales Kühlen von Werkzeugen?

Konformales Kühlen führt Kühlkanäle innerhalb der Werkzeugeinsätze so, dass sie dem Umriss des geformten Teils folgen. Die Kanäle verlaufen in gleichmäßigen Abständen zur Kavitätenoberfläche, wodurch der Wärmeübergang homogener ist als bei geraden Bohrgängen. Praktisch ermöglicht dies eine Kühlzeitverkürzung um 20–40%, stabileren Schwind und bessere Oberflächenqualität bei kurzen Zyklen.

Solche Kanäle werden meist additiv aus Werkzeugstahlpulvern (1.2709, H13) oder Berylliumkupfer gefertigt. Konstrukteure nutzen CFD-Tools und Moldflow-Simulationen, um Durchmesser, Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenz des Mediums zu optimieren. Der gesamte Kühlkreislauf wird dann mit der Spritzgießmaschine über Temperaturverteiler, Durchflussregler und Monitoring-Systeme integriert.

Zu betonen ist, dass Konformität nicht nur Kühlkanäle betrifft, sondern auch Heizkanäle bei Reaktionsspritzguss oder Kompositen. Eine gleichmäßige Werkzeugtemperatur beeinflusst die Kunststoffviskosität, den Umschaltpunkt und den Nachdruck. Dadurch lässt sich die Prozesswiederholbarkeit besser halten und die Maschinenparameter mit den Werkzeugcharakteristiken synchronisieren.Spritzgießmaschine mit den Werkzeugcharakteristiken.

Entwicklungsgeschichte konformer Einsätze

Erste Ansätze konformer Kanäle gab es in den 90er-Jahren, als Maschinenbediener Metallpulver-Sintern (SLM) einsetzten. Die Technologie war teuer und wenig reproduzierbar, daher fand sie hauptsächlich in Luftfahrt und Raumfahrt Anwendung. Der Durchbruch kam nach 2010, als L-PBF-Drucker zugänglicher wurden und Werkzeug-Hersteller (z. B. Hasco, Renishaw) fertige Einsatzbibliotheken anboten. Gleichzeitig kamen Spritzgießmaschinen mit präziseren Temperaturregelungen und Echtzeit-Temperatursensoren.

In den letzten Jahren boomten hybride Fertigungsverfahren – Fräsen und 3D-Druck auf einer Maschine. Das erlaubt präzise Oberflächen in kritischen Bereichen und freies Kanaldesign. Mit Industrie 4.0 integrieren Hersteller Daten aus Werkzeug, Spritzgießmaschine und Kühlkreislauf in einer Datenbank, um Einflüsse auf die Qualität zu analysieren. Konformgekühlte Werkzeuge sind nun Standard in hochpreisigen Branchen: Medizin, Präzisionselektronik und Premium-Automotive.

2023 startete die EU-Kommission Förderprogramme für die Digitalisierung von KMU, was die Adoption konformer Einsätze auch in kleineren Werkzeugmacherbetrieben beschleunigte. Durch Zuschüsse für 3D-Drucker und CFD-Software sank die Einstiegshürde deutlich. Heute greifen mittelgroße Betriebe auf Outsourcing-3D-Druckdienste zurück, und Spritzgießmaschinen sind für Werkzeug-Temperaturdaten gerüstet.

Arten konformer Lösungen

Konfigurationen unterscheiden sich in Kanalherstellung, Einsatzmaterialien und Mediumtyp. Beliebte Varianten: voll 3D-gedruckte Kanäle, bimetallische Einsätze mit additivem Kern und Standardteilen sowie dynamische Kühlungen mit rotierenden Medien oder CO₂-Zugabe. Die Wahl hängt von Teilgeometrie, AM-Maschinenverfügbarkeit und Budget ab.

In jedem Fall ist die Synchronisation des Werkzeugs mit den Kapazitäten der Spritzgießmaschine entscheidend. Die Maschine muss stabile Spritzparameter liefern, um das Kühlungspotenzial voll auszuschöpfen. Starke Schwankungen von Zylinderdruck oder -temperatur können Investitionsvorteile zunichtemachen.

Häufig gibt es hybride Lösungen, bei denen Teile konform und Teile klassisch gekühlt werden. Das betrifft besonders Schieber-Einsätze oder große Kavitäten, wo 3D-Druck zu teuer wäre. Entscheidend ist ein ausgeglichener Durchfluss, damit Temperaturunterschiede zwischen Abschnitten keine Zusatzspannungen erzeugen.

3D-gedruckte Kanäle

Additiv gefertigte Kanäle entstehen aus Maragingstahl- oder Inconel-Pulver. Der Konstrukteur führt die Kanäle der Teileoberfläche nach, bei konstantem Abstand von 2–5 mm. Die Einsätze werden dann wärmebehandelt und in Führungs- oder Auswerferbereichen CNC-nachbearbeitet. So entsteht der gleichmäßigste Temperaturabfall.

Vorteile:

• Kürzere Zykluszeit – bis zu 30% weniger in der Kühlphase.
• Geringere Verformung – keine Hotspots reduzieren Verzug.
• Designflexibilität – Kanäle spiral-, netzförmig oder turbulenzfördernd.

Nachteile:

• Höhere Kosten – Metall-3D-Druck und Wärmebehandlung erhöhen den Einsatzpreis.
• Simulationsbedarf – fehlerhaftes Design erzeugt Dead Zones.
• Größenbeschränkungen – große Werkzeuge erfordern segmentierte Einsätze.

Beispiel sind Einsätze für Autolinsen, wo gleichmäßige Temperatur für optische Qualität essenziell ist. Durch 3D-Druck konnten Ingenieure Kanäle der gesamten Kavitätenkrümmung folgen und Spannungen sowie Ausschuss um 60% senken.

Beim Design 3D-gedruckter Kanäle DfAM-Prinzipien (Design for Additive Manufacturing) anwenden: minimale Kanalradien, maximale Leitungswinkel und Support-Strukturen beim Druck. Bereits im Werkzeugdesign Anschlussstellen für Verteiler und Spülmöglichkeiten bei Wartungen vorsehen.

Bimetallische und hybride Einsätze

Bimetallische Einsätze kombinieren gedruckte Kerne mit konventionellen Teilen aus Werkzeugstahl oder Berylliumkupfer. Konforme Kanäle liegen im additiven Kern, Kavitätenflächen werden aus polierfähigem Material gefräst. Hybride sind günstiger als Voll-Druck und wartungsfreundlicher.

Vorteile:

• Optimaler Kosten-Nutzen – 3D-Druck nur wo nötig.
• Einfachere Reparaturen – Kontaktteile austauschbar ohne Gesamtdruck.
• Vielfältige Eigenschaften – Kupfer für Leitfähigkeit, Maragingstahl für Festigkeit.

Herausforderungen:

• Materialverbindungen – präzises Vakuumlötverfahren erforderlich.
• Kanalabdichtung – Dichtheit an Materialgrenzen sicherstellen.
• Komplexe Planung – Koordination mehrerer Zulieferer.

Hybride Einsätze eignen sich hervorragend für Werkzeuge mit wechselbaren Kavitäten, z. B. bei medizinischen Gehäusen. Die modulare Bauweise erlaubt schnelles Umrüsten auf Varianten bei Beibehaltung konformer Kühlvorteile.

Logistik für Ersatzteile planen – gedruckte Kerne haben längere Lieferzeiten, daher oft Doppelsätze bestellen. Bei Ausfall Kern blitzschnell wechseln und Spritzgießmaschine ohne Wochenwartung auf neuen Druck wieder in Gang bringen.

Dynamisches Kühlen und Spezialmedien

Bei extrem dynamischen Anwendungen kommt dynamisches Kühlen mit rotierenden Einsätzen, pulsierendem Fluss oder Gasen (CO₂, Stickstoff) zum Einsatz. Kanäle sind so ausgelegt, dass das Medium rasch Wärme aus Hotspots aufnimmt und außerhalb regeneriert wird. Hier arbeitet die Spritzgießmaschine mit hochautomatisierten Temperierkreisläufen, die Druck und Durchfluss präzise regeln.

Eingesetzt bei Zyklen unter 10 s oder optischen Teilen, wo Hotspots Defekte verursachen. Dynamisches Kühlen erfordert jedoch stärkere Investitionen in Automatisierung und Sicherungen gegen Kondensat oder Thermoschocks.

Experten betonen vibrationsdämpfende Maßnahmen und Gassicherungen. Bei CO₂- und N₂-Anlagen Detektoren und lokale Entlüftung. Der Spritzgießmaschinen -Steuerung sollte Notfallroutinen bieten, die den Prozess sicher stoppen, wenn Mediumparameter überschritten werden.

Aufbau und Hauptelemente des Werkzeugs

Ein konformgekühltes Werkzeug besteht aus 3D-gedruckten Einsätzen, Trägerplatten und Mediumzuführungskanälen. Einsätze werden konventionell im Korpus fixiert, zusätzlich gegen Mikrobewegungen gesichert, um dünne Kanalwände zu schützen. Auswerfer- und Schieberbereiche müssen kanalverträglich sein – oft Rohrauswerfer mit Mediumdurchlass.

Wichtig ist die Integration von Temperatur- und Drucksensoren. Jeder kritische Kanal erhält PT100 l oder NTC-Sensoren, die Daten an die Werkzeugsteuerung übermitteln. Kombiniert mit dem Spritzgießmaschinen -System lassen sich Prozessausschläge schnell korrigieren, z. B. automatische Kühlzeitverlängerung bei Temperaturdifferenzüberschreitung.

Kühlsystem und Sensoren

Das Kühlsystem umfasst: Verteiler, Durchflussregler, Durchflussmesser, Temperatur- und Drucksensoren sowie ein Diagnosemodul. Bei konformen Kanälen ist es entscheidend, eine turbulente Strömung zu gewährleisten. Konstrukteure setzen Einschnürungen und Spiralen ein, um die Reynolds-Zahl zu erhöhen und so die Wärmeübertragung zu verbessern. Zur Steuerung kommen proportionale Regler zum Einsatz, die schneller reagieren als herkömmliche Kugelhähne.

Durchflussmesser werden so nah wie möglich an den Einsätzen montiert, um Verunreinigungen oder Luftansammlungen frühzeitig zu erkennen. Die Daten gelangen an das HMI der Spritzgießmaschine oder ein dediziertes SCADA-System. Alarme können den Zyklus automatisch stoppen, falls der Durchfluss unter einen festgelegten Grenzwert fällt – so wird der Einsatz vor Überhitzung geschützt.

Immer häufiger kommen FBG-Fasersensoren zum Einsatz, die direkt im Einsatz platziert werden. Sie ermöglichen Temperaturmessungen im Mikrobereich und reagieren deutlich schneller als konventionelle eingebohrte Sensoren. Die Daten können von KI-Algorithmen genutzt werden, um Abweichungen vorherzusagen, noch bevor sie in den Bauteilen sichtbar werden.

Integration in die Spritzgießmaschine

Konformales Kühlen funktioniert nur in enger Abstimmung mit der Spritzgießmaschine. Die Maschine muss Start-/Stop-Signale für die Temperiervorrichtungen bereitstellen, Temperaturrezepte verwalten und Daten loggen. Immer mehr Hersteller bieten Analysemodule an, die Spritzparameter mit Werkzeugtemperatur und Energieverbrauch verknüpfen. So sieht der Prozessingenieur direkt, wie Änderungen der Einspritzzeit die Einsatztemperatur beeinflussen, und kann die Einstellungen schnell anpassen.

Die Integration umfasst auch Entnahme-Roboter, Trockner und Visionsensoren. Die kürzere Zykluszeit erfordert einen kleineren Puffer für die Bauteileentnahme, weshalb der Roboter schneller und synchron zum Werkzeugöffnen arbeiten muss. Temperaturdaten helfen zudem, Verformungen beim Greifen zu vermeiden – der Roboter kann Bruchteile von Sekunden warten, bis die Oberfläche eine sichere Temperatur erreicht hat.

Wichtige technische Parameter

1. Abstand des Kanals zur Oberfläche (mm)

Optimal 2–5 mm, abhängig vom Material und Wandstärken. Zu geringer Abstand birgt das Risiko von Ausfressungen und ungleichmäßiger Oberflächentemperatur.

2. Kanaldurchmesser (mm)

Typisch 4–10 mm. Ausreichender Durchfluss für das Medium und Reinigungsmöglichkeiten müssen gewährleistet sein. Bei Spiral-Kanälen kann der Durchmesser je nach Abstand zum Einspitzpunkt variiert werden.

3. Durchflussgeschwindigkeit (l/min)

Hohe Geschwindigkeit steigert die Turbulenz und Kühlleistung. Praxisnah liegen die Werte bei 5–15 l/min pro Kreislauf, unabhängig von der Medientemperatur.

4. Medientemperatur (°C)

Für technische Kunststoffe 60–140 °C; bei dynamischem CO₂-Kühlen bis zu 0 °C. Eine Stabilität von ±0,2 °C ist für die Bauteilwiederholgenauigkeit entscheidend.

5. Druckabfall (bar)

Bei konformen Kanälen ist ein höherer Druckabfall natürlich, sollte aber 2–3 bar pro Kreislauf nicht überschreiten. Das schont die Temperierpumpen.

6. Kühlzeit (s)

Das ist der Hauptindikator für Erfolg. Konformales Kühlen verkürzt sie um 20–40% im Vergleich zu gebohrten Kanälen. Die Kühlzeit sollte für jeden Werkzeugabschnitt separat analysiert werden.

7. Temperaturgleichmäßigkeit (°C)

Die Differenz zwischen wärmster und kältestem Bereich sollte unter 3 °C liegen. Die Daten stammen von Sensoren an kritischen Stellen.

8. Energie pro Zyklus (kWh)

Durch kürzere Kühlzeiten verbraucht die Spritzgießmaschine weniger Energie. In TCO-Analysen lohnt es sich, die Einsparung pro Tonne Produktion zu erfassen.

Anwendungen von konformem Kühlen

Automobilindustrie

Armaturenbrettteile, Lampen, Grills oder Stecker erfordern hochwertige Oberflächen und kurze Zykluszeiten. Konforme Einsätze reduzieren Ausschuss und ermöglichen das Kombinieren mehrerer Operationen in einem Werkzeug.

Medizin und Pharma

Bei Spritzen, Insulinpumpengehäusen oder Einmalsystemen ist stabile Temperaturführung essenziell, um Verzug zu vermeiden und Mikrotoleranzen einzuhalten. Werkzeuge mit konformem Kühlen gewährleisten Wiederholgenauigkeit, und Sensordaten erfüllen FDA-Anforderungen.

Elektronik und Optik

LED-Linsen, Smartphone-Gehäuse oder Präzisionsverriegelungen sind temperaturempfindlich. Der conforme Kühlkanal eliminiert Hotspots und erhält hohen Oberflächenglanz.

Lifestyle- und Premiumprodukte

Kosmetikverpackungen, Premium-Haushaltsgeräte oder Sportzubehör mit Piano-Black-Optik verlangen kühlspurfreies Kühlen. Kürzere Zyklen steigern die Wettbewerbsfähigkeit bei A-Klasse-Qualität.

Technische Bauteile

Zahnräder, Getriebeteile oder Strukturkomponenten aus PA+GF profitieren von konformen Einsätzen, da gleichmäßiges Kühlen Spannungen mindert und Montagerisse verhindert.

Mehrkomponentenspritzguss

2K- und 3K-Spritzguss erfordert präzise Temperatursteuerung des ersten Komponents, bevor der nächste nachgespritzt wird. Konforme Einsätze sorgen für Temperaturstabilität zwischen den Schüssen und gewährleisten Haftung sowie Oberflächenqualität.

Wie wählt man die richtige Lösung?

1. Bauteilanalyse

• Geometrie, Wandstärken und thermisch belastete Bereiche.
• Kunststoffmaterialien und Oberflächenanforderungen.
• Ziel-Zykluszeit und Produktionsvolumen.

2. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

• Vergleich der Kosten für gedruckte, hybride und Standardeinsätze.
• TCO-Analyse – Einsparungen bei Energie, Zykluszeit und Ausschuss.
• Finanzierungsoptionen (Förderungen für Industrie 4.0, F&E-Steuervorteile).

3. Fertigungsmöglichkeiten

• Zugang zu Metall-3D-Druckern und Erfahrung des Lieferanten.
• Qualität der Wärmebehandlung und CNC-Nachbearbeitung.
• NDT-Kontrollstandards (CT, Ultraschall) zur Kanalintegritätsprüfung.

4. Prozessintegration

• Kompatibilität mit Temperiersystem und Maschinenautomation.
• Überwachungsmöglichkeiten für Durchfluss, Temperatur und Alarme.
• Geplante Umrüstungen und Ersatzteilverfügbarkeit.

5. Technologiepartner

• Unterstützung bei CFD- und Moldflow-Simulationen.
• Erfahrung bei Integration in Spritzgießmaschinen und Robotik.
• Referenzen in der Branche und Bereitschaft zu Versuchsläufen.

Wartung und Pflege

Konforme Kanäle erfordern besondere Sorgfalt. Aufgrund der unkonventionellen Geometrie sind sie anfälliger für Kalkablagerungen und Korrosion. Daher sind Filter, Korrosionsinhibitoren und regelmäßige Spülungen der Kreisläufe essenziell. Ein Reinigungsprotokoll und Überwachung der Medienleitfähigkeit werden empfohlen. Viele Betriebe nutzen Ultraschall-Reinigungssysteme, die die Kanäle ohne Einsatzdemontage säubern.

Wichtig ist auch die Diagnostik. Thermokameras oder Fasersensoren erkennen Verstopfungen, bevor sie zu Bauteilüberhitzung führen. CMMS-Integration ermöglicht automatisierte Wartungsplanung nach Zyklusanzahl. Spritzgießmaschinen können Durchflussdaten für Vorhersagen nutzen – ein Abfall um wenige Prozent signalisiert ein drohendes Reinigungsbedürfnis.

Gute Praxis ist eine Werkzeugaudit nach großen Aufträgen. Dazu gehören endoskopische Kanaldurchmesser-Messung, Dichtheitsprüfung und Sensorkalibrierung. Die Service-Dokumentation sollte mit Werkzeugnummer und Maschinenrezept verknüpft sein, um bei Reklamationen den vollständigen Wartungsnachweis zu erbringen.

Zusammenfassung

Konformales Werkzeugkühlen ist eine der effizientesten Methoden, um Zykluszeiten zu verkürzen, Qualität zu steigern und Energieverbrauch in Spritzgussanlagen zu senken. Mit Metall-3D-Druck und hybriden Einsätzen lassen sich Kanäle an jede Geometrie anpassen, und die Integration in die Spritzgießmaschine sowie Analysesysteme ermöglicht Echtzeitüberwachung. Entscheidend sind Bauteilanalyse, Parameterauswahl und konsequente Wartung. TEDESolutions unterstützt Unternehmen bei Konstruktion, Implementierung und Service konformer Lösungen – so amortisiert sich die Investition in moderne Werkzeuge schneller denn je.