Innovativ und kostensenkend

Zahnräder - Neuartige Zahnräder aus Kunststoff oder Metallschaum mit Zähnen aus Spezialstahl bieten zahlreiche Vorteile bei Verschleiß, Laufruhe, Gewicht und Dämpfung. Basis der Neuentwicklung der Fraunhofer-Gesellschaft sind spezielle kaltgezogene Stahlprofile.

16. Oktober 2007

Ein Marktsegment mit scheinbar nur wenig Innovationen ist die Herstellung von Zahnrädern. Eine erfolgreiche Neuentwicklung in diesem traditionellen Bereich muss deshalb entscheidende Vorteile bieten. Ein Beispiel dafür ist ein neuartiges Verfahren zur Produktion von Zahnrädern in Verbundbauweise aus Kunststoff, geschäumtem Metall und Stahlprofilen, das die Technologie-Entwicklungsgruppe der Fraunhofer-Gesellschaft in Stuttgart (TEG) entwickelt hat. Die Neuentwicklung bietet Vorteile bei Gewicht, Drehmomentübertragung, Abrollgenauigkeit und Geräuschentwicklung, ist zugleich verschleiß- und schlagfest und erlaubt zudem eine gezielte Dämpfung des Anlaufmoments.

Das Verbundzahnrad besteht aus metallisch basierten strukturellen Schäumen, etwa Aluminiumschaum, oder einem thermoplastischen Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), das sich im Spritzgießverfahren verarbeiten lässt, sowie kaltgezogenen Stahlprofilen. Entwickelt und zur Marktreife gebracht hat die entsprechenden Stahlprofi le der Spezialprofilhersteller Zollern Isoprofi l mit Sitz im baden-württembergischen Sigmaringendorf. Das Unternehmen besitzt langjährige Erfahrung in der Warm- und Kalt-Umformung sowie in der Wärmebehandlung und Weiterverarbeitung von Stahlprofilen.

Flexible Gestaltung

Zur Herstellung der Zahnräder werden die Profi le zunächst in einer Matrize kreisförmig um eine zentrierte metallische Nabe angeordnet. Zwischen den Zahnkranz wird danach der Kunststoff oder das geschäumte Metall eingebracht. Mit diesem Verfahren lassen sich drei unterschiedliche Typen von Verzahnungselementen herstellen: Besonders flexibel gestalten lassen sich einzelverzahnte Verbundzahnräder. Sie ermöglichen variable Außen- und Innenverzahnungen, verschiedene Zahnmodule und Zahngrößen. Die einzelnen Stahlprofi le werden dazu als Einzelzähne in einer Negativmatrize fixiert und danach in der Matrize vergossen. Nach demselben Schema lassen sich auch einzelverzahnte Zahnstangen produzieren und in jeder nötigen Geometrie anpassen. Beim Stahlbandzahnrad dagegen werden die einzelnen Zahnmodule vor dem Verguss auf ein Stahlband aufgebracht und dabei der jeweiligen Anwendung angepasst.

Zur Herstellung werden die Stahlprofi le im unternehmenseigenen Warmwalzwerk vorgewalzt und nachfolgend mit möglichst wenigen Kaltumformungsschritten gefertigt. Gegenüber den herkömmlichen Zerspanungsverfahren bietet diese gezielte Kaltumformung zahlreiche Vorteile: So lassen sich zum Beispiel die mechanischen Werte des Stahls wie Zugfestigkeit, Streckgrenze oder Dehnung auf den jeweiligen Anwendungsfall abstimmen. Zudem gewährleistet der ungebrochene Faserverlauf eine hohe Bauteil- und Dauer- Festigkeit sowie eine höhere Belastbarkeit bei Gleitbeanspruchung und Oberflächenpressung.

Vorteile durch Kaltumformung

Außerdem bietet dieses Fertigungsverfahren eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis durch die Materialeinsparung beim eingesetzten Werkstoff, die Einsparung von Werkzeugkosten, die Vermeidung von Investitionen für Bearbeitungsmaschinen und Wärmebehandlungsanlagen sowie für die aufwendige Entsorgung von Kühlmittel und Spänen.

Entscheidende Faktoren für eine wirtschaftliche Fertigung und Weiterverarbeitung der Profi le sind die Anforderungen an die Festigkeit und die Form-, Maß- und Lagetoleranzen sowie die optimale Werkstoffauswahl und die gewünschte Oberflächenausführung.

Kompetenz für Stahlprofile

Zur Fertigung von Spezialprofilen für Anwendungen, bei denen harte und verschleißfeste Oberflächen oder auch besondere physikalische Eigenschaften gefordert sind, besitzt Zollern zudem eigene Induktivhärteanlagen, in denen die Profi le lediglich an hoch beanspruchten Bereichen der Oberflächen partiell gehärtet werden. Werkstoff, Form, Querschnitt und Oberflächenhärte lassen sich dabei für die jeweilige Anwendung abstimmen.

Im Unterschied zur konventionellen Härtung bleiben bei einer Profilfertigung mit anschließender Induktivhärtung die physikalischen Eigenschaften wie Zähigkeit, Streckgrenze und Zugfestigkeit in den ungehärteten Bereichen erhalten. Zudem lassen sich diese Bereiche jederzeit spandend bearbeiten.

Im Vergleich zu Standardprofilen lassen sich mit derartigen Sonderprofilen also Werkstoffkosten, Rüst-, Handhabungs-, und Bearbeitungszeiten einsparen. Bei der Entwicklung der Verbundzahnräder der TEG Fraunhofer ermöglichten es sogar erst die Spezialprofile aus Südwürttemberg, konstruktive Probleme wirtschaftlich zu lösen.

Bernd Pröbstle, Zollern/bt

Fakten

- Die Zollern GmbH und Co. KG ist ein metallverarbeitendes Unternehmen mit Stammsitz in Sigmaringendorf-Laucherthal.

- Das Unternehmen ist Teil der Unternehmensgruppe Fürst von Hohenzollern und geht zurück auf die Errichtung einer Eisenschmelze durch Fürst Meinrad II. von Hohenzollern-Sigmaringen im Jahre 1708. Es ist damit das älteste noch existierende Familienunternehmen im heutigen Baden-Württemberg.

- Schwerpunkte des Unternehmens sind heute die Gießereitechnik sowie die Herstellung von Stahlprofilen, Gleitlagern und Maschinenbauelementen.

- Kunden sind Unternehmen in Luft- und Raumfahrt, Schiffs- und Motorenbau, Energie- und Informationstechnik sowie Fahrzeug- und Maschinenbau.

Erschienen in Ausgabe: 07/2007