Überformtes POM-Zahnrad mit Messing-Einlage: Warum lösen sich Naben?

Ein graues POM-Zahnrad mit einem gedrehten Messingkern sieht wie eine einfache Verbundkonstruktion aus – und genau deshalb versagen so viele davon. Die Aufgabe 260626003 traf im Juni 2025 bei einem Hersteller von Büroausstattung ein; dessen früherer Zulieferer hatte eine Charge überspritzter POM-Zahnräder geliefert, die alle Dock-Inspektionen bestanden – um dann im Gerät ihre Einsätze zu verlieren: Einige drehten sich unter wechselnder Drehmomentbelastung auf der Welle, einige rissen den spritzgegossenen Rand während der Montage auf, und einige wichen so stark von der Mittellage ab, dass das Antriebssystem laut lief und die Sicherungsschrauben nicht mehr hielten.

Im Folgenden beschreiben wir die Änderungen, die wir vornahmen, die Messwerte, die wir während der Serienfertigung erfassten, sowie den Fehler, den wir bei unseren ersten fünfzig Teilen selbst feststellten. Falls Sie ein überspritztes POM-Zahnrad mit Messingeinsatz kaufen, lohnt sich Ihre Aufmerksamkeit besonders dem Halteabschnitt – denn die offensichtliche Lösung, den Einsatz einfach fest einzupressen und auf Reibschluss zu vertrauen, war genau der Grund, warum die erste Charge versagte.

Wofür der metallische Kern tatsächlich gedacht ist

Die beiden Werkstoffe übernehmen zwei unterschiedliche Aufgaben – und diese Aufteilung ist es, die das Bauteil funktionsfähig macht.

Der geformte POM-Körper trägt die Zahngeometrie. POM ist steif, dimensionsstabil unter Last und so gleitfähig, dass ein kleines Zahnradpaar geräuschlos ohne Schmierung läuft. Der Messingkern übernimmt alle Komponenten, die punktuelle Last aufnehmen: die zentrale Bohrung zur Wellenlagerung, die beiden flachen Flächen an der oberen Stirnseite zur Übertragung des Antriebsmoments auf ein Gegenstück sowie die senkrecht gebohrten Gewindebohrungen zum Festziehen der Baugruppe mit Kegelschrauben an der Welle.

Das Aufbringen der Zähne durch Spritzgießen auf einen bearbeiteten Kern statt das Fräsen des gesamten Zahnrads aus Messing oder Stahl ermöglicht geräuscharmen Lauf, geringeres Gewicht und Schmiermittelfreiheit; zudem ist die Fertigung in Serie kostengünstiger als bei einem vollständig zerspant gefertigten Teil. Der Kompromiss lautet: Die Verbindung zwischen Kunststoff und Metall wird nun zu einem Lastpfad – und dieser muss konstruktiv ausgelegt werden, nicht bloß vorausgesetzt.

Der Versagensmodus, den niemand misst

POM bewegt sich weiter, nachdem die Spritzgießmaschine gestoppt hat

POM kristallisiert beim Abkühlen und schrumpft um etwa 1,8 Prozent gegenüber dem Hohlraum. Es entspannt sich zudem noch stundenlang nach dem Entfernen des Teils aus der Form, und es bewegt sich bei gleicher Temperaturänderung etwa fünf- bis sechsmal stärker als Messing. Eine Passung, die morgens am Prüfstand eng erscheint, kann am Nachmittag in einem warmen Gehäuse locker sein – ohne dass etwas berührt wurde.

Das ist das gesamte Problem in einem Satz: Eine Reibungsverbindung zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ist eine Verbindung mit Ablaufdatum.

Der Rand ist der schwächste Ring im Teil

Das Pressen eines glatten Kragens in eine geformte Nabe belastet den umgebenden Kunststoff in Umfangsrichtung. Der dünnste, kälteste und am stärksten beanspruchte Ring des gesamten Teils ist der Rand um die Nabe – und genau dort befinden sich üblicherweise auch der Angusskanal und die Trennfläche. Wenn die Presspassung hinsichtlich ihrer Enge statt ihrer Passgenauigkeit dimensioniert ist, trägt dieser Rand die Folgen – so entsteht ein Zahnrad, das bereits auf der Montagebank bricht und niemals die Maschine erreicht.

Die Verbindung muss gleichzeitig zwei Aufgaben erfüllen.

Positionierung und Kraftübertragung sind nicht identisch. Ein Buchsen-Einlegeteil muss über einige Hundertstel Millimeter konzentrisch zur Zahnradachse bleiben und muss wechselndes Drehmoment widerstehen, ohne auch nur die geringste Rotation zuzulassen. Eine Reibschluss-Verbindung erfüllt die erste Aufgabe bei Neuheit durchaus akzeptabel, die zweite jedoch dauerhaft schlecht – denn die für sie erforderliche Normalkraft geht als Erstes verloren, sobald sich der Kunststoff entspannt.

Drei Möglichkeiten, eine Messingbuchse zu halten – und wann jeweils welche funktioniert.

Methode	Wie die Haltekraft entsteht.	Drehmomentwiderstand	Konzentrizität	Einsatzbereich
Presspassung an einem glatten Kragen.	Nur Reibung durch Interferenz zwischen Kragen und Nabe	Niedrig bis mittel; nimmt ab, wenn sich POM entspannt und erwärmt	Nur gut, wenn die Nabe nach dem Spritzgießen zersägt wird	Position für niedriges Drehmoment, leichte Beanspruchung, Prototypen
Geriffelter Kragen wird auf eine kontrollierte Tiefe aufgepresst	Formschluss: Die Riffelzähne greifen in den Kunststoff ein, und das Drehmoment wird über die Zähne übertragen	Hoch; hält auch bei wechselnder Last	0,02 mm, wenn die Nabe nach dem Ausgleich der Bauteilspannungen zersägt wird	Antriebsräder, Wellen mit Sicherungsschraubenverbindung
Einsatz wird in die Formhöhle eingelegt und dort eingespritzt	Das Polymer schrumpft beim Abkühlen auf die Rändelung	Hoch	Hängt vom Werkzeugstandort des Einsatzes ab	Hohe Stückzahlen, eine Einsatzgeometrie, feste Ausrichtung

Für diese Aufgabe wählten wir die mittlere Option, und der Grund steht in der ersten Zeile: Reibung ist eine Kraft, die Sie halten müssen; Form ist eine Gestalt, die Sie bereits haben. Eine Rändelung, die sich in POM eingegraben hat, überträgt weiterhin Drehmoment, auch nachdem sich der Kunststoff entspannt hat und die Presspassung verschwunden ist.

So wurde dieses Zahnrad Schritt für Schritt hergestellt

Schritt 1 – Spritzgießen des Körpers aus POM in der im Zeichnungsgrau angegebenen Farbe

Die Zahnformhöhle und die Nabe werden so gefräst, dass die Nabe leicht untermaßig ausgeführt wird und Material für eine spätere Drehbearbeitung verbleibt. Die Farbe wird mit einem Masterbatch anhand einer Pantone Cool Gray 7C-Musterprobe eingestellt – dies ist wichtiger, als die meisten Kunden erwarten, denn bei Grautönen zeigt sich Farbabweichung zwischen Chargen am frühesten.

Schritt 2 – Den spritzgegossenen Körper 24 Stunden lagern

Die Teile ruhen einen vollen Tag, bevor ein Endschliff erfolgt. Das Drehen der Nabe, während das Teil noch entspannt, führt dazu, dass die Passung sich nach dem Schneiden verändert; die am Maschinenschlitten gemessene Abmessung beschreibt dann nicht mehr das versandfertige Teil.

Schritt 3 – Drehen des Messing-Einsatzes in einer einzigen Aufspannung

Der Einsatz wird vollständig in einer einzigen Aufspannung gedreht: die zentrale Bohrung, die beiden Flächen am Antriebsende, der Positionierungsflansch, der Hals und die geriffelte Mutter. Eine einzige Aufspannung stellt sicher, dass Flächen, Bohrung und Mutter dieselbe Achse teilen – genau das gewährleistet später die Konzentrizität der Baugruppe. Bei einer zweiten Aufspannung erhält man zwar einen Kern, der perfekt auf die Welle passt, der aber schief im Zahnrad sitzt.

Schritt 4 – Drehen der Nabe auf die endgültige Passung

Nach der Ruhephase wird die Nabe auf die erforderliche Presspassung gedreht. Dieser Schritt unterscheidet das hier beschriebene Verfahren von dem gescheiterten Verfahren: Die Passung wird in stabilem Kunststoff – nicht in noch schrumpfendem Kunststoff – geschnitten.

Schritt 5 – Aufpressen auf einer beheizten Presse bis zur kontrollierten Tiefe

Der Einsatz wird in einer beheizten Presse innerhalb eines Kraftfensters von 1,2 bis 1,6 kN eingebracht und bis zu einer festen Tiefe eingepresst, die durch den Flansch vorgegeben ist. Maßgeblich ist die Tiefe – nicht allein die Kraft: Die Kraft zeigt an, dass die Verbindung fest ist; die Tiefe zeigt an, dass der Flansch korrekt sitzt und der Kern senkrecht zur Zahnradscheibe ausgerichtet ist.

Schritt 6 – Gewindebohrung der Querlöcher nach dem Pressvorgang

Die beiden Schraubenlochgewinde werden erst nach dem Einpressen des Einsatzes geschnitten, sodass das Gewinde in der endgültigen Position des Teils – und nicht in einem Einsatz, der danach noch um einige Hundertstel Millimeter wandert – erzeugt wird. Ein vor dem Pressen geschnittenes Gewinde kann schief ausfallen.

Schritt 7 – Prüfung der Verbindung, nicht nur der Abmessungen

Die Prüfung umfasst Konzentrizität des Einsatzes, axiales Ausziehen an einer zerstörenden Probe, Drehmoment am Nabe über Rückwärtszyklen, Zahnform sowie eine Sichtprüfung auf Risse am Felgenrand. Die Teile werden anschließend so verpackt, dass die geformten Zähne im Karton sich nicht berühren.

Die ersten fünfzig Stücke und der dabei entdeckte Fehler

Der Probelauf mit fünfzig Zahnrädern schlug fehl, und der Fehler lag bei uns, nicht beim Material.

Zwölf Teile wiesen nach dem Pressen feine Risse am Rand auf. Wir hatten die erste Charge direkt nach dem Formen mit der Nabe auf Nennmaß geschnitten – ohne den Ruheprozess. Die übrigen Teile der Versuchsgruppe, die nach einer vollen Ruhezeit von 24 Stunden gepresst wurden, wiesen keinerlei Rissbildung auf. Der Unterschied war kein Zufall: Die unmontierten Teile schrumpften noch, als der Bund eingebracht wurde; daher war die Passung zum Zeitpunkt des Erreichens des Flansches effektiv stärker als in der Zeichnung angegeben.

Zwei Änderungen gingen in die Serienfertigung ein. Erstens wird kein Einsatz in ein Gehäuse eingepresst, das weniger als 24 Stunden alt ist; das Alter wird im Begleitschein vermerkt. Zweitens positioniert die Pressevorrichtung den Einsatz an einer festen Anschlagfläche am Flansch statt bis zu einer Kraftgrenze – so kann ein Gehäuse, das sich etwas stärker zusammengezogen hat als erwartet, nicht überlastet werden, um die vorgeschriebene Endposition zu erreichen.

Die Rändelung wurde im geformten Bereich ebenfalls leicht verkürzt, sodass sie nur mit dem Kunststoff in der oberen Nabe eingreift und niemals den an Anspritzstellen neigenden Bereich nahe der Trennfläche berührt, wo ein eingeprägter Zahn einen Riss auslösen würde. Zwischen Versuch und Serienfertigung verschwand die Risskategorie vollständig.

Was bei der 15.000-teiligen Serie gemessen wurde

Überprüfen	Zeichnungsspezifikation	Über die gesamte Serie konstant gehalten
Konzenzität des Einsatzes zur Zahnradsachse	0,02 mm	Innerhalb des Bandes an jedem Teil nach dem Pressen
Axiales Herausziehen des Einsatzes	Mindestens 900 N	Kein Teil im zerstörenden Stichprobenverfahren unterhalb des Grenzwerts
Drehmoment an der Nabe	2,5 N·m über 50 Wechselzyklen	Keine Drehung am Rändel
Eindrückkraft für die Sitzposition	fenster von 1,2 bis 1,6 kN	Innerhalb des Fensters gehalten; Tiefe am Flanschanschlag eingestellt
Getriebegehäuse	24 Zähne, Bohrung und Flächen auf einer Achse	Zahnform und Achse bei jedem ersten Muster pro Schicht geprüft
Spritzgegossene Zähne	Keine Risse, keine Gratbildung an der Eingriffsstelle	Keine gerissenen Felgen bei der Endkontrolle
Farbe	Pantone Cool Gray 7C	Grau abgestimmt, Charge zu Charge, an der genehmigten Probe orientiert

Fünfzehntausend Zahnräder innerhalb von 21 Tagen versandt; die ersten montierten Antriebe liefen lautlos auf der Kundenanlage, ohne dass Bewegung der Einsätze gemeldet wurde.

Farbe ist ebenfalls eine Toleranz – besonders bei Grautönen

Mittlere Grautöne sind ungnädig. Eine Verschiebung um wenige Einheiten in der Helligkeit wirkt für einen Einkäufer, der zwei Teile nebeneinander hält, wie ein anderer Werkstoff; für einen Kunden, der sechs Monate später ein Service-Kit öffnet, wirkt sie wie ein anderes Produkt. Drei Gewohnheiten halten die Farbstabilität sicher: Erstens eine einzige Masterbatch-Charge pro Auftrag, sofern die Menge dies zulässt; zweitens eine aufbewahrte, genehmigte Probe, die nicht tagsüber auf einer Werkbank, sondern dunkel in einer Schublade aufbewahrt wird; drittens eine Farbmessung an dieser Probe zu Beginn und am Ende jeder Spritzguss-Schicht – nicht nur beim Erstteil.

Was die Kosten eines einspritzgegossenen Zahnrads bestimmt

Vier Punkte entscheiden den Preis – und nur einer davon ist der Kunststoff:

· Die Form. Hohlraumanzahl, Zahnform und ob die Nabe statt eines Kernstifts einen massiven Stift benötigt. Dies ist die höchste Einzelposition und wird einmalig bezahlt.

· Das gedrehte Einsatzteil. Flächen, Flansch, Rändelung und eine Bohrung, die eine gemeinsame Achse teilen muss. Ein Einsatzteil mit einer einzigen Aufspannung kostet pro Teil mehr als ein zweistufiges, spart aber mehr ein, als es kostet.

· Die Ausgleichszeit und der zweite Schnitt. Sie bezahlen für einen Tag Lagerzeit sowie einen Nachbearbeitungsschnitt, der allein deshalb erforderlich ist, weil POM sich verformt.

· Prüftiefe. Zugkraft- und Drehmomentprüfungen sind zerstörend, daher umfasst der Preis Stichproben statt einer 100-prozentigen Prüfung; die Stichprobengröße sollte schriftlich vereinbart werden.

Fragen Sie jeden Lieferanten nach seiner Ausgleichszeit und danach, wie die Spritzgießmaschine gesteuert wird – nach Tiefe oder nach Kraft. Die Antwort verrät Ihnen, ob die Verbindung gezielt konstruiert oder lediglich erhofft wurde.

FAQ

Benötigt ein übermoldetes POM-Zahnrad einen gerändelten Einsatz?

Nur wenn das Gelenk Drehmoment übertragen muss. Die Rändelung wandelt das Gelenk von einer Reibungs- in eine Formschlussverbindung um, sodass das Drehmoment über die Zähne der Rändelung und nicht über den Kontakt-Druck – der mit der Entspannung des Kunststoffs nachlässt – übertragen wird. Für ein Teil, das lediglich eine Welle positionieren, aber nicht antreiben muss, kann ein glatter Bund mit passendem Sitz ausreichend sein.

Kann die Einlage nach dem Spritzgießen eingepresst statt während des Spritzgießens eingeformt werden?

Ja, und das Nachpressen ist oft der bessere Weg, wenn die Einlage Flächen oder eine Bohrung besitzt, deren Ausrichtung erhalten bleiben muss, denn die Nabe kann nach dem Ausgleich des Körpers zugeschnitten und die Einlage in einer einzigen Aufspannung gedreht werden. Das Einlegeteilspritzgießen eignet sich für hohe Stückzahlen mit einer festen Geometrie, bei der die Werkzeugführung den Kern präzise positioniert und die Schwindung zugunsten der Funktion wirkt.

Warum verursachen Messing-Einlagen Risse im Kunststoff-Rand?

Weil die Presspassung für Dichtheit und nicht für Passgenauigkeit bemessen ist und weil das Teil oft noch schrumpft, wenn der Einsatz eingebracht wird. Der Rand um die Nabe ist der dünnste Ring am Teil und die Stelle, an der Anguss und Trennfläche zusammenlaufen; daher nimmt er die Ringspannung zuerst auf. Das Ausrichten des Körpers und die Steuerung der Einbautiefe statt der Einpresskraft beseitigen beide Ursachen.

Wie überprüfen Sie die Haltekraft des Einsatzes, ohne intakte Teile zu zerstören?

Das tun Sie nicht – zumindest nicht für die Auszugskraft. Stattdessen schneiden Sie eine Probe quer durch, um die Verzahnungseingriffstiefe zu bestätigen, ziehen eine Probe bis zum Versagen, um die Sicherheitsreserve nachzuweisen, und belasten eine Probe mit dem Betriebsdrehmoment über mehrere Zyklen, um zu beweisen, dass die Verbindung sich nicht dreht. Bei Serienteilen wird dann ausschließlich über die Pressparameter sowie über die Konzentrizität gesteuert – letztere lässt sich berührungslos messen.

Was Sie in Ihre Zeichnung eintragen sollten

Die meisten Argumente in diesem Artikel werden durch fünf Zeilen in einer Zeichnung geklärt:

1. Geben Sie das Material des Einsatzes sowie den Kunststoff an, inklusive der Farbreferenz und der zulässigen Farbabweichung.

2. Geben Sie die Konzentrizität des Einsatzes zur Zahnradachse als echte Toleranz an, nicht als Anmerkung.

3. Geben Sie die axiale Haltekraft als Mindestkraft an und geben Sie an, ob sie durch Stichprobe oder durch Berechnung verifiziert wird.

4. Geben Sie an, wie das Drehmoment übertragen wird: Flachstellen, Verzahnung oder Rändelung – und an welcher Stelle die Rändelung zulässig ist.

5. Geben Sie an, ob der Einsatz nach dem Spritzgießen eingebracht oder bereits vor dem Spritzgießen in den Hohlraum eingelegt wird; falls Sie keine Präferenz haben, geben Sie dies an und überlassen Sie die Entscheidung dem Fertigungsprozess.

Das Verbinden von Metall mit einem sich bewegenden Polymer ist kein Detail, das einer Standardtoleranz überlassen werden kann. Gestalten Sie die Verbindung korrekt – dann ist der Rest der Zahnradfertigung Routine: leise Zähne, eine wahre Achse und eine Grautonfarbe, die auch ein Jahr später noch mit der Musterprobe übereinstimmt.