Kunststoffzahnräder auf dem Weg zur Hochleistungskomponente

Kunststoffzahnräder werden immer leistungsfähiger und eröffnen neue Möglichkeiten für leichte, leise und funktionsintegrierte Antriebssysteme. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Lebensdauer, Werkstoffauswahl, Auslegung und zuverlässige Simulation. Die 5. VDI-Fachkonferenz „Hochleistungs-Kunststoffzahnräder“ bringt dazu am 24. und 25. November 2026 in München Fachleute aus Forschung und Industrie zusammen. Im Mittelpunkt stehen unter anderem PFAS- und PTFE-freie Lösungen, Hochleistungskunststoffe wie PEEK, KI- und FEM-gestützte Entwicklung sowie der mögliche Ersatz von Stahlkomponenten. 

Im Vorfeld der Konferenz sprechen wir mit Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer, einem der beiden Konferenzleiter und Leiter des Lehrstuhls für Kunststofftechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, über aktuelle technische Entwicklungen, praktische Herausforderungen und seine persönliche Faszination für Kunststoffzahnräder. 
 

Herr Professor Drummer, Kunststoffzahnräder werden heute zunehmend auch für anspruchsvolle und leistungsübertragende Anwendungen diskutiert. Wo sehen Sie derzeit die größten technischen Fortschritte – und an welchen Punkten stoßen Entwickler in der Praxis noch an Grenzen?

Die größten Fortschritte sehen wir derzeit in der Präzision der Auslegung und Fertigung sowie beim Verständnis der Tribologie unter Extrembedingungen. Durch moderne KI-gestützte Frameworks und simulationsbasierte Analysen – beispielsweise unter Einbeziehung der Fasermorphologie und realer Messdaten aus CT-Scans – können wir das thermische und mechanische Verhalten heute viel genauer vorhersagen. Auch materialseitig ermöglichen neue Hochleistungskunststoffe wie z.B. PEEK oder speziell modifizierte PA12- und POM-Varianten Einsatzbereiche, die vor wenigen Jahren undenkbar waren.

An Grenzen stoßen Entwickler in der Praxis nach wie vor bei der Wärmeabfuhr und Temperaturfestigkeit im hochbelasteten Trockenlauf oder unter Einmal-Schmierung. Kunststoff besitzt eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl, was bei hohen Lasten zu thermischer Deformation, Erweichung oder beschleunigtem Verschleiß führen kann. Zudem fehlen in vielen Bereichen noch standardisierte Bewertungskriterien für das Werkstoffverhalten bei extremen Temperaturen oder Lastkollektiven.
 

Das Konferenzprogramm reicht von PFAS- und PTFE-freien Werkstoffen über Lebensdaueroptimierung bis zu KI-gestützter Simulation und der Substitution von Stahl durch PEEK. Welche dieser Entwicklungen besitzt aus Ihrer Sicht aktuell das größte Potenzial für industrielle Anwendungen – und warum?

Das drängendste und zugleich wirtschaftlich bedeutendste Thema ist kurzfristig der Umstieg auf PFAS- und PTFE-freie Werkstoffe und Schmierstoffe. Aufgrund der absehbaren regulatorischen Einschränkungen auf EU-Ebene steht die Industrie hier unter enormem Handlungsdruck. Zu zeigen, dass man mit innovativen Compounds (wie PA, PBT, PEEK) und PFAS-freien Fetten nicht nur die Umweltauflagen erfüllen kann, sondern ggf. teilweise sogar die Dauerfestigkeit und das Verschleißverhalten auch weiter verbessern kann, ist für die Serientauglichkeit essenziell.

Langfristig sehe ich das größte Transformationspotenzial jedoch in der Kombination aus KI-gestützter Simulation und Hochleistungskunststoffen wie PEEK. Erst durch die hochpräzise Simulation – von der Spritzgusssimulation über die Zahnfußoptimierung bis hin zum virtuellen Getriebetest – wird es möglich, Zahnräder so schlank und gezielt auszulegen, dass sie Stahl im harten Einsatz (wie in E-Bikes oder E-Mobility-Antrieben) wirtschaftlich und zuverlässig substituieren können.
 

Viele Ingenieurinnen und Ingenieure stehen vor der Frage, ob ein Kunststoffzahnrad für ihre konkrete Anwendung wirklich zuverlässig und wirtschaftlich einsetzbar ist. Welche Kennwerte, Prüfungen oder konstruktiven Entscheidungen sind aus Ihrer Sicht besonders wichtig, um diese Frage fundiert beantworten zu können?

Für eine fundierte Entscheidung reichen Standard-Datenblattwerte aus dem Zugversuch nicht aus. Besonders kritisch sind:

• Einsatznahe Tribo-Kennwerte: Das Reibungs- und Verschleißverhalten muss unter den tatsächlichen Bedingungen (Temperatur, Lastkollektiv, Einmal-Schmierung vs. Trockenlauf) bewertet werden.
• Anwendungsspezifische Prüfstände: Tests auf modularen Verspannprüfständen oder Pulsatorprüfständen, mit denen reale Last- und Temperaturkollektive gefahren werden können, sind für die Lebensdauerprognose unverzichtbar.
• Geometrische und fertigungsbezogene Entscheidungen: Konstrukteure müssen Werkstoffeigenschaften wie Kriechen, Wärmeausdehnung und Feuchteaufnahme bereits in der Toleranz- und Geometrieauslegung (z. B. durch Zahnfußausrundungen oder Flankenmodifikationen) berücksichtigen.
• Ganzheitliche Systembetrachtung: Oft bringt erst die Funktionsintegration – wie das Einspringen von Magneten als Signalgeber oder das Umspritzen von Wellen – den entscheidenden wirtschaftlichen Vorteil gegenüber einer rein metallischen Lösung.
   

Sie beschäftigen sich seit vielen Jahren mit Kunststofftechnik, Tribologie und innovativen Fertigungsverfahren. Was fasziniert Sie persönlich an Kunststoffzahnrädern – und gab es in Ihrer Forschungsarbeit einen Moment oder ein Projekt, das Ihren Blick auf ihr Potenzial grundlegend verändert hat?

Mich fasziniert vor allem die hohe interdisziplinäre Komplexität: Ein Kunststoffzahnrad ist kein bloßes „Plastikbauteil“, sondern Teil eines hochkomplexen tribologischen Systems, bei dem Chemie, Materialwissenschaft, Strömungsmechanik beim Spritzguss, Hochpräzisionsgeometrie und Maschinenbau direkt ineinandergreifen.

Ein prägender Moment in meiner Forschungsarbeit war die Erkenntnis, wie stark man das Werkstoffverhalten allein durch das gezielte Einstellen der Mikrostruktur und Fasermorphologie beim Spritzgießen steuern kann. Zu sehen, dass man ein und denselben Werkstoff allein durch die Prozessführung und eine bionisch optimierte Zahnfußgeometrie in eine völlig neue Leistungsklasse heben kann – hin zur erfolgreichen Substitution von Metallbauteilen in echten Leistungsantrieben –, hat mein Verständnis für die enormen Reserven dieser Technologie nachhaltig geprägt.