Mehr als die Hälfte der Zykluszeit entfällt auf die Kühlung; und über die Kühlung entscheiden Bohrungen im Werkzeug, die Sie nicht sehen. Wo der Kanal verläuft, wie schnell das Wasser fließt, ob die Kreise ausgeglichen sind – diese drei Fragen bestimmen, ob dasselbe Werkzeug in 28 oder in 40 Sekunden läuft und ob das Teil gerade oder verzogen herauskommt. Dieser Beitrag fasst die Auslegungsregeln der Werkzeugkühlung und die in der Fertigung häufigsten Fehler zusammen.
Der Weg der Wärme: von der Schmelze ins Wasser
Jedes Gramm Schmelze, das in das Werkzeug gelangt, gibt seine Wärme – bis es auf Entformungstemperatur abgekühlt ist – zuerst an den Werkzeugstahl ab, vom Stahl an die Kanalwand und von dort an das Kühlwasser. Die Kühlung wartet auf das langsamste Glied dieser Kette. Liegt der Kanal weit von der Kavität entfernt, ist der Weg durch den Stahl länger; fließt das Wasser langsam, kann die Wärme an der Kanalwand nicht abgeführt werden; ist einer der Kreise verstopft, bleibt dieser Bereich heiß, und das Teil verzieht sich zu dieser Seite.
Wie viel Wärme abgeführt werden muss, legt die Produktionsleistung fest – der stündliche Materialdurchsatz multipliziert mit der Enthalpie des Werkstoffs. Mit Ihren eigenen Werten können Sie sie in unserem Rechner für die Werkzeugkühlung berechnen; Thema dieses Beitrags ist, wie die Kanäle angeordnet werden, die diese Wärme abführen sollen.
Grundregeln der Kanalanordnung
Bei der Kanalauslegung bestimmen zwei Abstände alles, und beide werden als Vielfaches des Kanaldurchmessers angegeben:
| Maß | Richtwert | Wenn kleiner | Wenn größer |
|---|---|---|---|
| Kanaldurchmesser (d) | 8–12 mm (je nach Teilegröße) | Durchfluss und Turbulenz werden schwieriger | Weniger Kanäle, größere örtliche Unterschiede |
| Abstand Kanal–Kavität | 1,5–2,5 × d | Kalte Markierungen auf der Oberfläche, Festigkeitsrisiko | Kühlung verlangsamt sich, Zyklus wird länger |
| Abstand zwischen den Kanälen | 2,5–3,5 × d | Bearbeitungskosten steigen | Temperaturschwankung: kalt über den Kanälen, heiß dazwischen |
Die Abwägung ist folgende: Je näher und dichter die Kanäle an der Kavität liegen, desto schneller die Kühlung und desto gleichmäßiger die Oberflächentemperatur – Festigkeit des Werkzeugs und Bearbeitungskosten setzen jedoch eine Grenze. Tiefe Rippen, Dome und Kerne sind Stellen, die ein gerader Kanal nicht erreicht; sie werden mit Umlenkblechen (Baffles), Sprudlern (Bubbler, Rohr im Rohr) oder Kernen aus hochleitfähiger Kupferlegierung erreicht. In den letzten Jahren folgen per Laserschmelzen hergestellte konturnahe Kühlkanäle exakt der Teilegeometrie und heben auch diese Grenze auf; die Kosten sind hoch, bei Teilen mit großem Zyklusgewinn machen sie sich aber bezahlt.
Turbulenz: dreifache Kühlung mit demselben Wasser
Die am wenigsten bekannte Tatsache der Kühlung ist das Strömungsregime. Langsam fließendes Wasser bewegt sich in Schichten durch den Kanal (laminare Strömung); die dünne Schicht an der Wand erwärmt sich und wirkt wie ein Isolator. Wird der Durchfluss erhöht und die Strömung turbulent, durchmischt sich das Wasser auf seinem Weg durch den Kanal, und seine Fähigkeit, der Wand Wärme zu entziehen, steigt um ein Vielfaches – derselbe Kanal, dieselbe Wassertemperatur, drei- bis fünfmal mehr Kühlung.
Das praktische Kriterium ist die Reynolds-Zahl: Über 4.000 gilt die Strömung als turbulent, Auslegungsziel ist in der Regel über 10.000. Für die Fertigung bedeutet das: Reicht die Kühlung nicht aus, sollte der erste Reflex nicht sein, das Wasser kälter zu machen, sondern den Durchfluss zu erhöhen. Kälteres Wasser scheint zu helfen, bis Oberflächenqualität und Zyklusbalance leiden; ein höherer Durchfluss ändert das Strömungsregime und bringt einen dauerhaften Gewinn. Die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf eines Kreises wird in einem Band von 2–5 °C gehalten; ist die Differenz größer geworden, fließt dieser Kreis entweder zu langsam oder trägt zu viel Last.
Reihe oder parallel?
| Schaltung | Vorteil | Risiko |
|---|---|---|
| Reihe (Kreise hintereinander) | Gleicher Durchfluss in allen Kanälen – Turbulenz gesichert | Das Wasser erwärmt sich auf seinem Weg; der letzte Kanal ist wärmer als der erste |
| Parallel (Verteilung über einen Verteiler) | Wasser gleicher Temperatur für alle Kreise | Der Durchfluss weicht in den Kreis mit dem geringsten Widerstand aus; ein verstopfter Kreis bleibt unbemerkt |
Bei kleinen Werkzeugen gewinnt die Reihenschaltung durch ihre Einfachheit. Bei großen Werkzeugen mit vielen Kreisen ist die Parallelverteilung unvermeidlich – dann aber müssen Sie den Durchfluss jedes Kreises einzeln sehen. Verteiler mit Durchflussanzeige sind genau dafür da: Sinkt der Durchfluss eines Kreises, wird die Verstopfung sichtbar, bevor das Teil schlecht wird. Lösungen für Mehrkreisverteilung und Durchflussüberwachung mit Maschinenkommunikation finden Sie auf unserer Seite zur Werkzeugtemperierung.
Der unsichtbare Feind: Ablagerungen im Kanal
Ein Kühlkanal ist ein System, das altert. Kalk aus dem Wasser schlägt sich an der heißen Wand nieder; Korrosionsprodukte und Biofilm kommen hinzu. Eine einen Millimeter dicke Kalkschicht setzt der Wärmeleitung einen Widerstand entgegen, der dem eines halben Meters Stahl nahekommt – und weil sich auch der Kanaldurchmesser verengt, sinkt der Durchfluss. Das Ergebnis ist tückisch: Über die Jahre wird das Werkzeug zu einem „früher lief es in 30 Sekunden“, und die Schuld wird oft bei der Maschine gesucht. Symptome, Diagnose und Reinigungsprogramm sind in unserem Ratgeber zur Werkzeugwartung ausführlich beschrieben; die Lehre für die Auslegung lautet: Wasseraufbereitung im geschlossenen Kreislauf und regelmäßige Durchflussmessung sind ebenso wichtig wie die Kanalauslegung.
Kontrolle in der Fertigung: Lassen Sie die Auslegung nicht auf dem Papier
Bei der Inbetriebnahme des Werkzeugs zeigen drei Messungen, ob die Kühlung wirklich wie ausgelegt arbeitet:
1. Durchflussmessung Kreis für Kreis – nicht der Gesamtdurchfluss; in einem Parallelsystem kann die Summe stimmen, während ein einzelner Kreis tot ist. 2. Temperaturdifferenz Vorlauf–Rücklauf – ein Kreis, der das Band von 2–5 °C verlässt, wird markiert. 3. Oberflächentemperaturkarte – die Werkzeugoberfläche wird mit einem berührungslosen Thermometer oder einer Wärmebildkamera abgetastet; ein Unterschied von mehr als einigen Grad zwischen den Kanallinien und den Zwischenräumen deckt ein Anordnungsproblem auf.
Die Aufzeichnung dieser drei Messungen ist die Referenz für die Frage von morgen: „Warum ist der Zyklus länger geworden?“ Den Einfluss der Kühlzeit auf den Zyklus und die Quadratregel der Wanddicke finden Sie in unserem Ratgeber zur Zykluszeit; unser Kühlzeitrechner berechnet Ihre theoretische Kühlzeit.
Die Werkzeugtemperatur auf Sollwert zu halten, beginnt bei der Kanalauslegung und wird durch die Wahl des richtigen Temperiergeräts vollendet – bei den Fragen Wasser oder Öl, wie viele Kreise und welcher Durchfluss helfen Ihnen unser Ratgeber zur Auswahl zwischen Wasser und Öl und unser technisches Team.