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Zahnräder Hochleistungskunststoff ersetzt zunehmend Stahl

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde / Dorothee Quitter

Moderne Hochleistungs-Kunststoffzahnräder werden in verschiedenen industriellen Bereichen immer häufiger zu einer Alternative für Stahl. Ihr Einsatz offeriert einerseits hohe Einsparpotenziale, birgt andererseits aber auch komplexe Herausforderungen.

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PEEK-Zahnräder
PEEK-Zahnräder
(Bild: Victrex)

Hochleistungs-Kunststoffzahnräder sind in der Herstellung meist günstiger als Stahl. Zudem bieten sie zahlreiche Vorteile im Betrieb: Sie sind leicht, schlagfest, korrosionsbeständig, laufen leise, verschleißen kaum und benötigen fast keine Wartung. Außerdem sind sie selbstschmierend und verfügen über optimale Notlaufeigenschaften. Die VDI-Konferenz „Hochleistungs-Kunststoffzahnräder“, die am 11. und 12. September in München stattfindet, zeigt, unter welchen Bedingungen der Einsatz von Kunststoffzahnrädern sinnvoll ist und wo deren Einsatzgrenzen liegen.

„Das Kunststoffzahnrad ändert sich in der Wahrnehmung vom Plastikteil zum Maschinenelement. Zudem sind deutliche Einsparpotenziale denkbar, beispielsweise Gewichtseinsparungen um zirka 80 Prozent im Vergleich zum Werkstoff Stahl oder Einsparungen von Schmierstoff aufgrund der Trockenlauffähigkeit von Kunststoffen“, unterstreicht Tagungsleiter Dr. Andreas Langheinrich, Bereich Entwicklung Antriebstechnik in Kunststoff bei der Horst Scholz GmbH + Co. KG in Kronach, die Bedeutung des Themas. Und natürlich sei auch die Kosteneinsparung durch einen günstigen Stückpreis aufgrund der möglichen Massenproduktion durch Spritzguss ein wichtiger Punkt. Langheinrich sieht insbesondere im Bereich der Antriebe kleinerer Baugrößen viel Anwendungspotenzial, so beispielsweise bei Stellantrieben und zunehmend auch ölgeschmierten oder ölgekühlten Leistungsantrieben, welche mehr als 1 Kilowatt übertragen.

Kosten-, Gewichts- und Geräusch-Reduktionen durch PEEK

Mit Hochleistungs-Kunststoffzahnrädern im Motorenbereich, den Herausforderungen und der Adaption wird sich Ralf Weidig, Global Business Manager Gears, Victrex Europa GmbH in Hofheim, auseinandersetzen. „In Folge der zunehmenden Anforderungen an die Reduktion von CO2-Emissionen steigt die Anzahl von kleineren Motoren, die akustisch auffälliger sind. Eine von Victrex entwickelte Zahnradlösung auf Basis des Hochleistungs-Kunststoff Victrex HPG bietet eine funktionelle und kosteneffiziente Alternative zu den typischen Metalllösungen“, so Weidig. „Neu daran ist jetzt der erstmalige Einsatz eines Hochleistungskunststoffes im Motorenbereich in der Serie. Das war bisher nur Metallzahnrädern vorbehalten.“

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Derzeit fokussiert das Unternehmen mit seinen Entwicklungen auf Massenausgleichs-, Kurbelwellen-, Nockenwellen- und auch Pumpenantriebs-Zahnräder für Verbrennungsmotoren. Ein Einsatz in anderen Bereichen des Antriebsstranges und der Aktuatorik sei aus Sicht von Weidig jedoch auch denkbar. „Durch Hochleistungs-Kunststoffzahnräder aus Victrex HPG lassen sich gleichzeitig meist mehrere Vorteile in einer Anwendung erzielen. Beispielsweise erfüllen mögliche Kosten-, Gewichts- und NVH-Reduktionen (Noise Vibration Harshness, unerwünschte Geräusche im Kraftfahrzeug) die Anforderungen der OEM’s und unterstützen die Aktivitäten zu emissionsreduzierten und leiseren Motoren“, sagt Weidig.

Hochleistungskunststoffe für anspruchsvolle Lager- und Zahnradanwendungen

Frank Lorenz, Direktor Automotive Components bei der Evonik Resource Efficiency GmbH in Marl, beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen sowie relevanten Materialeigenschaften für verschiedene Anwendungen. „Hochleistungs-Kunststoffzahnräder gewinnen an Bedeutung in Leistungsgetrieben und Aktuatoren. Durch den Trend zum Leichtbau und zu effizienteren Motoren mit höherer Leistungsdichte bei reduziertem Kraftstoffverbrauch werden Kunststoffzahnräder zunehmend interessant“, sagt er. "Einsparungen entstehen sowohl durch geringere Reibungsverluste und damit einen reduzierten Kraftstoffverbrauch, als auch durch die Materialkosten beim Ersatz von Metall und dessen umfangreiche Nacharbeit. Je nach Anwendung kann über den Betrieb der Kunststoffkomponenten über die Lebenszeit oder auch über die Herstellung der einzelnen Zahnradkomponenten Energie eingespart werden", so Lorenz weiter.

Entsprechend engagiert sich auch Evonik in diesem Themenbereich. So hat das Unternehmen am Standort Darmstadt ein Kompetenzzentrum Friction & Motion gegründet, mit dem Ziel, neuartige tribologische Systeme durch die Kombination unterschiedlicher Kompetenzen im Konzern zu entwickeln. Hier soll zukünftig auch ein Kunststoff-Zahnradprüfstand zur Ermittlung von Zahnradkennwerten, wie Lebensdauerkennlinie und Abrieb am Zahnrad betrieben werden. „Es können unterschiedliche Prozessbedingungen und Schmierungszustände eingestellt und im Anschluss simuliert werden, wie Trockenlauf, Fett-, Öl- oder wässrige Schmierung sowie Temperatur- und Lasteinflüsse“, beschreibt Lorenz die Möglichkeiten.

Außerdem wird er in München Ergebnisse zur Materialauswahl aufgrund von Reibungswerten präsentieren, die durch tribologische Messungen mit der MTM (Mini Traction Machine) und dem Pin on Disk Test ermittelt wurden. Anwendbar sind die Ergebnisse für Zahnräder in unterschiedlichen Applikationen, beispielsweise in Medienpumpen (Ad Blue- oder Ölpumpen) im Fahrzeugbau, in Masseausgleichsgetrieben oder Aktuatoren zur Justierung von Nebenaggregaten oder in elektromotorischen Antrieben.

Anforderungen an die Herstellung von Präzisionsspritzgussartikeln

Doch gerade bei anspruchsvollen und hochwertigen Anwendungen gilt es, die Rahmenbedingungen einzuhalten und zu definieren. "Kunden werden ihre Anforderungen mit dem Fokus "hochwertig" immer aus verschiedenen Perspektiven an die Zulieferer herantragen. Durch die Restriktionen von Konstrukteuren, Einkäufern und QS-Mitarbeitern können diese die Anforderungen jedoch nur bedingt erfüllt werden", sagt Christian Schneider, Assistent der technischen Leitung bei der Horst Scholz GmbH & Co. KG. Deshalb sei die DIN 16742 ein wichtiges Handwerkszeug. Sie liefert die Vorgaben für ein kunststoffgerechtes Konstruieren, Tolerieren und Fertigen. Dabei stellt sie technische Parameter bereit und trägt somit zur Optimierung des gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozesses bei. Die in der Norm festgelegten Grenzabmaße und Toleranzen gelten für das Spritzgießen, Spritzprägen, Spritzpressen und Pressen von nicht porösen Formteilen aus Thermoplasten, thermoplastischen Elastomeren und Duroplasten. (qui)

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde, Fachjournalistin für Wirtschaft und Technik

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