Potenziale für Hochleistungs-Kunststoffzahnräder

Der industrielle Einsatz von Hochleistungszahnrädern aus Kunststoff hat zahlreiche Vorteile. So sind sie in der Herstellung meist günstiger als Zahnräder aus Stahl. Branchenexperten beleuchten, unter welchen Bedingungen der Einsatz von Kunststoffzahnrädern sinnvoll ist und wo deren Einsatzgrenzen liegen.

Maßgeschneiderte Kunststoffcompounds für individuelle Anwendungen

„Es gibt zunehmend Anwendungen, in denen Standardmaterialien nicht die gewünschten Anforderungen erfüllen können. Eine Lösung bieten kundenspezifisch optimierte Compounds, die individuell auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden können“, sagt Eric Fautz, Product Specialist Business Line Specialties bei der Albis Plastic GmbH.


Eric Fautz, Product Specialist Business Line Specialties bei der Albis Plastic GmbH in Hamburg, wird sich mit maßgeschneiderten Compounds für Kunststoffzahnräder auseinandersetzen und die individuellen Möglichkeiten darstellen, die Kunststoffcompounds dabei liefern können. Zudem wird er die Anforderungen an polymere Konstruktionswerkstoffe beleuchten, einen Überblick über geeignete Kunststoffe und deren Modifizierung geben sowie die vorausschauende Materialauswahl und Bauteilauslegung thematisieren.

„Es gibt zunehmend Anwendungen, in denen Standardmaterialien nicht die gewünschten Anforderungen erfüllen können, entweder wegen erschwerter Einsatzbedingungen, wie chemische Beständigkeit oder thermische Faktoren oder wegen Verarbeitungsproblemen im Herstellungsprozess. Eine Lösung bieten kundenspezifisch optimierte Compounds, die individuell auf die Anwendung zugeschnitten werden können“, nennt Fautz einen möglichen Ansatzpunkt.

„Albis Plastic hat jahrelange Erfahrung in der Compoundierung von allen relevanten technischen Polymeren. Kombiniert mit dem Know-how zu verschiedensten Füllstoff- und Additivsystemen für die Gleit- und Reiboptimierung werden laufend neue Materialien entwickelt, die zum Beispiel für den Lebensmittelkontakt geeignet sind oder besonders niedrige Emissionswerte aufweisen“, benennt er die Kompetenzen.

Kunststoffzahnräder in Frankiermaschinen oder Rollos sind weit verbreitet. Aber auch Hochtemperaturanwendungen mit gesteigerten Maßhaltigkeitsanforderungen werden von Albis auf der Basis von Polyphenylensulfid (PPS) umgesetzt.

„Die Bauteile können durch den Einsatz eines optimierten Materials verschleißfester werden, bei gleichzeitig verringertem Reibwiderstand – ganz ohne externe Schmiermittel wie Öl oder Fett. Aber auch im Produktionsprozess von Zahnrädern können Kosten eingespart werden: Durch den Einsatz von Werkstoffen, die weniger Belag in der Kavität bilden, kann der Reinigungsaufwand verringert werden. So sind längere Werkzeugwartungsintervalle möglich“, nennt Fautz mögliche Optimierungen und Einsparpotenziale.


Zuverlässigkeitsberechnung im Bereich der Kunststoffzahnräder

„Je genauer die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Bauteils bekannt ist, desto leichter und materialsparender kann konstruiert werden. Jedes überdimensionierte Bauteil kostet letztlich nur zusätzlich Geld", so Dr. Stefan Beermann, Geschäftsleitung der KiSSsoft AG in Bubikon in der Schweiz.

Fest steht: Jedes Kunststoff-Zahnrad muss für die geforderte Lebensdauer festigkeitsmäßig so ausgelegt werden, dass es mit ausreichender Wahrscheinlichkeit eben diese Zeit auch überlebt. Damit ist vor allem die Absicherung gegenüber Fussbruch und Flankenverschleiß gemeint. „Übliche Ansätze vergleichen dabei auftretende Spannungen mit ertragbaren, um einen Sicherheitsfaktor zu definieren. Hierbei wird die ertragbare Spannung mit zunehmender Soll-Lebensdauer immer weiter reduziert. Ein alternativer Ansatz ist die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit über der Lebensdauer. Vorteil ist die bessere Vergleichbarkeit von Ergebnissen und die erweiterte Aussagekraft, da nun nicht mehr die "Daumen rauf, Daumen runter"-Information eines Sicherheitsfaktors, sondern eine konkrete Kurve mit zunehmender Wahrscheinlichkeit des Versagens über der Zeit gegeben ist“, erklärt Dr. Beermann, Geschäftsleitung der KiSSsoft AG in Bubikon in der Schweiz, wie die Zuverlässigkeit ermittelt werden kann.

In seinem Vortag geht es um die Aufbereitung von gemessenen Prüfstandsergebnissen, mit denen die Parameter für die Wahrscheinlichkeitsberechnung gewonnen werden können. „Die Anwendung von Zuverlässigkeitsberechnungen im Bereich der Kunststoffzahnräder ist generell nicht weit verbreitet. Einer der Gründe ist das Fehlen der entsprechenden Parameter. Durch die Diskussion der verschiedenen Methoden, wie die Prüfstandsergebnisse aufbereitet werden, können wir dem Ingenieur eine Vorgehensweise an die Hand gegeben, um aussagekräftige Berechnungen durchführen zu können“, nennt Beermann den Nutzwert.

Die Methode kann überall dort zum Einsatz kommen, wo die einschlägigen Prüfstandsversuche durchgeführt werden. Ganz vorn stehen dabei die Kunststoffhersteller, welche ihren Kunden zusätzliche Daten zu ihren Produkten liefern können. Aber auch Anwender von Kunststoffverzahnungen, welche Prototypenversuche durchführen, können die vorgeschlagene Methode einsetzen. Primäre Branchen sind unter anderem die Automobil-Zulieferer, die Gebäude-Automatisierung oder die Möbelindustrie.

„Je genauer die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Bauteils bekannt ist, desto leichter und materialsparender kann konstruiert werden. Jedes überdimensionierte Bauteil kostet letztlich nur zusätzlich Geld. Es bringt dem Kunden aber keinen Vorteil, da es am Ende des Lebenszyklus der zugehörigen Apparatur noch intakt weggeworfen wird. Natürlich kann man den Ausfall eines Bauteils nicht beliebig genau vorhersagen. Es ist aber das Bestreben eines jeden Ingenieurs, eine ausgewogene Konstruktion zu erreichen, so dass alle Bauteile ein ähnliches Ausfallverhalten zeigen“, nennt Beermann den Vorteil des Wahrscheinlichkeitsansatzes.


Qualitätssicherung von Kunststoffzahnrädern in jeder Herstellungsphase

„Bei der Qualitätssicherung von Kunststoffzahnrädern müssen zwei Stufen unterschieden werden: das Prototypenstadium und die Serienproduktion“, sagt Philip Jukl, Softwareentwicklung/ Know How Transfer bei der Frenco GmbH.

Auch bei der Herstellung von Kunststoffzahnrädern ist die Qualitätssicherung ein wichtiges Thema. Philip Jukl, Softwareentwicklung/ Know How Transfer bei der Frenco GmbH, wird in München die Software Reany, verschiedene Messmethoden und neue Auswertemöglichkeiten vorstellen.

„Bei der Qualitätssicherung von Kunststoffzahnrädern müssen zwei Stufen unterschieden werden. Dies ist zum einen das Prototypenstadium: Hier werden Messverfahren verwendet, die möglichst viele Informationen über das Werkstück sammeln, um beispielsweise das Werkzeug korrigieren zu können. Ein nächster Punkt fokussiert auf die Serienproduktion. Hier werden Messverfahren benötigt, die schnell eine qualitative Aussage liefern. Die Qualitätssicherung ist also ein ständiger, wenn auch manchmal unbeliebter, Begleiter in allen Phasen des Produkts“, sagt Jukl.

Links: Die Software Reany ist in der Lage, vollständig gemessene Verzahnungen auszuwerten.
Rechts: Berechnungsmodul zur Ermittlung der Zuverlässigkeit.

Insbesondere die Messungen im Prototypenstadium seien umfassend und aufwendig und müssen richtig interpretiert werden. In seinem Vortrag wird Jukl eine Software vorstellen, die laut Frenco in der Lage ist, vollständig gemessene Verzahnungen auszuwerten. Dabei wird die Topologie aller Zahnflanken berechnet, welche dann in verschiedenen Formaten exportiert werden kann.

„Neben der Unterstützung im Protypenstadium dient die Software der Ursachenanalyse bei Problemen in der Fertigung. Durch zahlreiche Ansichten und die Möglichkeit, systematische Abweichungen rechnerisch zu korrigieren, können zielführende Maßnahmen definiert werden“, so Jukl weiter.

Auf der VDI-Konferenz „Hochleistungs-Kunststoffzahnräder“, die am 11. und 12. September 2018 in München stattfindet, werden die neuesten Entwicklungen im Bereich Kunststoffzahnräder vorgestellt. Im Fokus stehen dabei unter anderem die Vor- und Nachteile der verschiedenen Werkstoffe, Werkzeuge und Methoden für die Berechnung von Hochleistungszahnrädern aus Kunststoff für den industriellen Einsatz sowie zahlreiche Praxisbeispiele.

Ergänzend zu den Vorträgen der VDI-Konferenz können Teilnehmer am 10. oder am 13. September ihr Wissen an zwei Spezialtagen vertiefen. Hier geht es um Grundlagen der Tribologie von Polymer-Stahl Paarungen beziehungsweise um das Thema Messschriebe richtig interpretieren.

Kontakt VDI-Wissensforum:

Nina Heigl
Produktmanagerin
Telefon: +49 211 6214-677
E-Mail: heiglvdide

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