Kunststoffzahnräder übernehmen in kompakten Antrieben längst mehr
als die reine Kraftübertragung. Wird ein Permanentmagnet direkt in das Zahnrad integriert, entsteht ein hybrides Funktionsteil: Es überträgt Drehmoment und liefert gleichzeitig ein präzises Drehzahl-, Winkel-
oder Positionssignal. Besonders im Spritzguss eröffnet diese Funktionsintegration neue Möglichkeiten für Bauraum, Toleranzkette, Montageaufwand und Serienqualität.
Quelle: MS-Schramberg GmbH&Co.KG
Hybrides Bauteil – Permanentmagnet / Verzahnung
Quelle: MS-Schramberg GmbH&Co.KG
Abbildung 1: Stellantrieb mit spritzgegossenem 2K-Antriebsrotor (Magnet/Kunststoff)
Funktionsintegration im Zahnrad
In vielen mechatronischen Baugruppen sollen Bewegungen nicht nur übertragen, sondern auch erfasst werden. Typische Anwendungen sind Stellantriebe, Pumpen, Getriebemotoren oder Sensorik im Antriebsstrang. Klassisch werden Zahnrad, Magnetring, Hülse und Klebstoff einzeln gefertigt und anschließend gefügt. Dadurch entstehen zusätzliche Bauteile, Montageschritte und Toleranzketten. Ein direkt integrierter Magnet reduziert diese Schnittstellen deutlich. Das Zahnrad bleibt Kraftüberträger, der Magnet wird zum Signalgeber für Sensoren.
Spritzgegossene Magnete als technische Basis
Für solche Hybridbauteile eignen sich kunststoffgebundene Permanentmagnete. Magnetpulver wird mit einem thermoplastischen Binder zu einem Compound verarbeitet und im Spritzguss endkonturnah geformt. Je nach Werkstoffsystem kommen Hartferrit, isotropes NdFeB oder anisotrope Werkstoffe wie SmFeN zum Einsatz. Die Vorteile liegen in nahezu freier Geometrie, engen Toleranzen aus dem Werkzeug und der Möglichkeit, Formschluss- oder Haftzonen direkt mitzugestalten.
2K-Technik reduziert Toleranzketten
Besonders leistungsfähig ist die Kombination aus Magnetspritzguss und 2K-Spritzgießen. In einem Werkzeug wird zunächst der Magnet erzeugt und anschließend mit der Kunststoffverzahnung kombiniert. Magnet und Verzahnung orientieren sich an einer gemeinsamen Bezugsachse. Dadurch entfallen Fügespiel, Klebespalt und nachträgliche Ausrichtung. Rundlauf, Konzentrizität und Unwucht werden durch Werkzeug- und Prozesskonstanz bestimmt als durch manuelle oder nachgelagerte Montageprozesse und somit deutlich optimiert.
Qualitative Vorteile in der Serie
Bei gefügten Bauweisen addieren sich Einzeltoleranzen aus Magnetring, Hülse, Klebstoff und Zahnrad. Schon kleine Fügeversätze können Rundlaufabweichungen und Unwucht verursachen. Beim 2K-Hybridrad entstehen die funktionsrelevanten Geometrien in einer stabilen Werkzeugreferenz. Das verbessert die Reproduzierbarkeit und erleichtert die Prüfung: Verzahnungsdaten und magnetische Messgrößen können auf dasselbe Geometrieelement bezogen werden. Auch Bindenähte und Anschnittlagen lassen sich im Werkzeugkonzept gezielt positionieren.
Quelle: MS-Schramberg GmbH&Co.KG
Abbildung 2: 2Kompontenrotor (2K ) Magnet/ Kunststoffverzahnung
Verzahnungsqualität und magnetische Signalqualität
Die erreichbare Verzahnungsqualität liegt auf dem Niveau klassisch gespritzter Kunststoffzahnräder und hängt von Werkstoff, Werkzeugauslegung, Anschnitt, Temperierung und Schwindungsverhalten ab. Parallel dazu werden die benötigten Anforderungen an den Permanentmagneten in Bezug auf Amplitude, Polzahl, Signalform für die Funktion des Sensors oder des Motors betrachtet.
Wirtschaftliche Bewertung
Die 2K-Fertigung erfordert ein anspruchsvolleres Werkzeug, intern oder extern des Werkzeuges Magnetisiervorrichtungen und eine abgestimmte Prüftechnik. Demgegenüber stehen weniger Einzelteile, eine kürzere Prozesskette, weniger Lager- und Logistikaufwand sowie ein geringerer Montage- und Prüfaufwand. Ab mittleren Serien kann der höhere Investitionsbedarf durch niedrigere Stückkosten, stabilere Ausbeute und geringere Fehlerkosten kompensiert werden. Zusätzlich reduziert sich die Logistikkette, weil Magnet- und Verzahnungsfunktion aus einer Prozessverantwortung heraus betrachtet werden können.
Fazit
Hybride Kunststoffzahnräder mit integriertem Magnet sind eine technisch und wirtschaftlich attraktive Lösung für kompakte mechatronische Systeme. Sie verbinden Antrieb und Signal in einem Bauteil, reduzieren Toleranzketten und vereinfachen Montage- und Prüfprozesse. Entscheidend für die Umsetzung sind ein anwendungsgerechtes Magnetmaterial, ein robustes Werkzeugkonzept und eine frühe Abstimmung von Verzahnungs-, Magnet- und Sensoranforderungen.
Über den Autor:
Stefan Haas
Stefan Haas arbeitet im technischen Vertrieb und Projektmanagement bei MS-Schramberg GmbH & Co. KG in Schramberg.