Das Verfahren des Kaltfließpressens ist ein Umformverfahren, bei dem die Kühlkörperrohlinge ohne vorherige Erwärmung in Pressen zwischen Pressstempeln und Matrizen unter enorm hohem Druck verformt werden. Bei dieser Massivumformung fließt der Werkstoff gezwungenermaßen in die Freiräume zwischen der formgebenden Matrize und dem Stempel. Das Ausgangsmaterial ist üblicherweise ein geometrisch einfaches Halbzeug wie ein Draht oder Stab. Je nach Komplexität des Kühlkörpers erfolgt seine Herstellung in einem ein- oder mehrstufigen Umformprozess.
Vorteile des Kaltfließpressens
Vorteile des Verfahrens des Kaltfließpressens, das alternativ zum Drehen eingesetzt wird: Im Gegensatz zum Strangpressen, bei dem lediglich Halbzeugstränge erzeugt werden, erlaubt es die Herstellung komplexer Einzelteile – und das aufgrund der hervorragenden Materialausnutzung vor allem bei mittleren und höheren Stückzahlen zu sehr wirtschaftlichen Konditionen. Zudem benötigen die fertigen Bauteile in der Regel keine weitere (net shape) oder nur eine geringe Nachbearbeitung (near net shape). Obwohl die Kaltfließpressteile meist über eine rotationssymmetrische Geometrie verfügen, sind auch eckige, ellipsenförmige oder exzentrische Produktformen realisierbar. Diese Vorteile machen das Kaltfließpressen zu einem optimalen Verfahren für die wirtschaftliche Herstellung komplexer Stift- und Rippenkühlkörper für die LED-Technologie.
Als Kühlkörpermaterial hat sich Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt von über 99,5 Prozent (DIN EN 1050 und 1070) durchgesetzt. Es besitzt eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von >220 W/mK. Zum Vergleich: Aluminiumstrangguss- und -druckgusslegierungen besitzen lediglich einen Wärmeleitwert von 180 W/mK respektive 150 W/mK. Bereits aufgrund dieser Eigenschaften ergeben sich breite Anwendungsfelder, die auch Applikationen in der Telekommunikation, der Energiewirtschaft und der Automobilindustrie einschließen.
Durch den Umformvorgang selbst ergeben sich eine sehr homogene Materialanordnung und eine Gefügestruktur in Richtung des Wärmeflusses. Dies garantiert eine schnelle, gleichmäßige Wärmeableitung sowohl an der Kühlkörperbasis als auch an den Stiften beziehungsweise Rippen. Durch die gegebene runde oder ovale Stift- beziehungsweise Rippenform sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Luft als bei extrudierten Rippen möglich. Zusätzlich sorgt eine strömungsbegünstigende Anordnung der Kühlstifte bereits bei natürlicher Konvektion für eine optimale Kühlleistung, die aufgrund der besonderen Eigenschaften und Effekte der kalt fließgepressten LED-Kühlkörper um 30 Prozent über der von Strangpress- und um 40 Prozent über der von Druckgusskühlkörpern mit den gleichen Dimensionen liegt. Überdies erhöht die Rippenstruktur die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers und beschleunigt damit die Wärmeableitung deutlich. Die Hochleistungskühlkörper lassen sich wesentlich kleiner dimensionieren, sodass sie weniger Platz benötigen und sich auch für schwierige Einbausituationen eignen. Damit sind die Stift- und Rippenkühlkörper prädestiniert für den Einsatz bei Hochleistungs-LEDs.
Kühlkörper für LEDs
Leuchtdioden wandeln je nach Farbe und Lichtstärke immer noch 75 bis 85 Prozent der aufgenommenen Leistung in Wärme um. Nur der Rest wird als Licht abgestrahlt. In diesem Zusammenhang leisten die Stift- beziehungsweise Rippenkühlkörper einen entscheidenden Beitrag zur langen Lebensdauer und der einwandfreien Funktion der Halbleiterleuchten. Abhängig von der abzuführenden Wärmemenge kann man sie entweder mit freier oder aber mit erzwungener Konvektion, also in Kombination mit einem Lüfter, einsetzen. Die Montage der Kühlkörper erfolgt wahlweise mittels Verschrauben, Clippen, einer wärmeleitenden Verklebung oder durch Auflöten. Bei der Auslegung und Gestaltung eines maßgeschneiderten LED-Kühlkörpers gilt es, verschiedene Faktoren zu berücksichtigen: Neben der Leistungsaufnahme und damit der Verlustwärme spielen auch die Größe des Halbleiterkristalls, die Leuchtdiodengeometrie und -halterung sowie die Umgebungsvariablen (Temperaturen, Vibrationen, Luftfeuchte etc.) eine wichtige Rolle. Dabei werden auf Basis der Kundendaten mögliche Designs und Technologien ausgewählt, thermische Simulationen durchgeführt und danach die Entscheidung für die geeignete Kühl- und Befestigungslösung getroffen, die dann in Produktion geht.
Durch die Simulation lassen sich die zu erzielende Kühlleistung sowie die nötige Dimensionierung überprüfen. Ergibt sich dabei, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, der Stift- oder Rippenstruktur oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies in hohem Maß Material- und Fertigungskosten. Zudem entfällt durch die Simulation der kostspielige Part der Prototypenfertigung oder wird drastisch reduziert.
