Team 1

Eine radikal neue Getriebegattung - Produktivitätssprünge für den Maschinenbau

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Für viele Herstellungsschritte in der Industrie sind Getriebe notwendig; ohne sie wäre die Übertragung von großen Kräften mit hoher Präzision nicht realisierbar. Das Manko: Bei allen Arten von Getrieben sind immer nur wenige Zähne der Zahnräder an der Kraftübertragung beteiligt – der Großteil wird nicht genutzt. Genau das limitiert die Produktivität von Maschinen, Robotern und Automatisierungsanlagen. Die Frage lautete: Wie muss ein Getriebe konstruiert sein, das Leistung in bislang unvorstellbaren Dimensionen liefert?

Dr.-Ing. E. h. Manfred Wittenstein, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Bayer und deren Team entwickelten eine bahnbrechende Lösung: Sie erfanden eine radikal neue Getriebegattung. Innovationskern sind Einzelzähne mit vollständigem Flächenkontakt bei der Kraftübertragung. Dadurch erreicht das innovative Getriebe Leistungswerte, die bisher nicht darstellbar waren. Manfred Wittenstein ist Vorsitzender des Aufsichtsrats der WITTENSTEIN SE in Igersheim, Thomas Bayer ist dort als Leiter des Innovation Lab tätig.

Alle bisherigen Getriebe basieren auf Zahnrädern. Ihre verschiedenen Konzepte bieten allerdings nur noch ein begrenztes Innovationspotenzial. Außerdem werden Verbesserungen eines Leistungsmerkmals immer mit Kompromissen bei einem oder mehreren anderen erkauft. Um ein Getriebe zu entwickeln, dessen Performance in allen Disziplinen um Faktoren besser ist, war ein grundsätzliches Umdenken notwendig.

Die revolutionäre Grundidee der Entwickler war die Abkehr vom klassischen Zahnrad als zentralem Getriebebauteil. Bei der neuen Getriebegattung wurde es in viele Einzelzähne zerlegt. Auf diese Weise ist jetzt eine extrem große Zahl an Zähnen gleichzeitig im Einsatz. Als Zahnform wählten die Erfinder die logarithmische Spirale – sie kommt in der Natur da vor, wo es auf höchste Effizienz beim Material- und Energieeinsatz ankommt. Dadurch erfolgt der Zahneingriff nicht mehr – wie bei Getrieben mit Zahnrädern – als Linienkontakt, sondern als Flächenkontakt. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Planetengetriebe weist das neue Getriebe fast siebenmal mehr tragende Zahnfläche auf.

Das revolutionäre Konzept bietet Leistungssteigerungen um mehrere hundert Prozentpunkte. In allen antriebstechnischen Disziplinen ist die neue Getriebegattung herkömmlichen Getrieben um Faktoren überlegen. Dazu zählen z. B. extreme Drehmomentdichte, Verdrehsteifigkeit, Gleichlaufgüte, Positioniergenauigkeit und absolute Spielfreiheit. Damit wird sie zum Enabler für den Maschinenbau der nächsten Generation. Ingenieure und Konstrukteure können ihre Maschinenkonzepte jetzt komplett überdenken und echte Entwicklungssprünge realisieren. Bei der Entwicklung müssen sie keine Kompromisslösungen mehr eingehen – z. B. wenn gleichzeitig maximale Präzision und höchste Drehmomentdichte gefordert sind.

Einige Pionier-Kunden haben das neue Getriebe bereits seit mehreren Jahren im Einsatz. Präzision und Produktivität konnten dort extrem gesteigert werden. Einige Beispiele: Bei Drehmaschinen wurden Arbeitsvorgänge erheblich verkürzt, und die Werkzeuge hatten viel weniger Verschleißerscheinungen. Bei Verzahnungswalzen wurden unerwünschte Schwingungen auf ein Minimum reduziert und die Bearbeitungszeit deutlich verkürzt. Bei einer neu entwickelten Fünfachsfräsmaschine konnte die Zerspanleistung um 100 % gesteigert werden.

Das Potenzial für die neue Getriebegattung ist riesig. Zur breiten Markteinführung konzentriert sich WITTENSTEIN auf Präzisionsgetriebe für den Maschinenbau. Weltweit beträgt der Bedarf hier bei etwa 9,4 Millionen Einheiten pro Jahr. In Zukunft sind weitere Ausführungen in Kunststoff geplant. Diese werden vorwiegend in Konsumgütern sowie in der Automobilindustrie – z. B. bei Sitzverstellungen oder elektrischen Standbremsen – eingesetzt. Die Stückzahlen betragen hier mehr als 500 Millionen Einheiten pro Jahr. Etliche Kundenanfragen kommen auch aus den Bereichen der Robotik, der Marine, der Luftfahrt, der erneuerbaren Energien und der E-Mobilität.

Die Entwicklung der disruptiven Innovation fand ausschließlich in Deutschland statt. Auf der Hannover Messe 2015 wurde das neue Getriebe mit dem Hermes Award ausgezeichnet, 2016 erhielt es den Innovationspreis der deutschen Wirtschaft. Derzeit sind in einem eigens gegründeten Start-up etwa 35 Mitarbeiter mit Entwicklung, Fertigung und Vermarktung beschäftigt. Um ein Vielfaches größer sind die Auswirkungen auf verschiedenste Industriebranchen. Hier sichert die Innovation vorhandene Arbeitsplätze und schafft neue, denn der Technologievorsprung sorgt für klare Wettbewerbsvorteile.

WITTENSTEIN SE – eins sein mit der Zukunft
Mit weltweit rund 2.600 Mitarbeitern und einem Umsatz von 385 Mio. € im Geschäftsjahr 2017/18 steht die WITTENSTEIN SE national und international für Innovation, Präzision und Exzellenz in der Welt der mechatronischen Antriebstechnik. Die Unternehmensgruppe umfasst sechs innovative Geschäftsfelder mit jeweils eigenen Tochtergesellschaften: Servogetriebe, Servoantriebssysteme, Medizintechnik, Miniatur-Servoeinheiten, innovative Verzahnungstechnologie, rotative und lineare Aktuatorsysteme, Nanotechnologie sowie Elektronik- und Softwarekomponenten für die Antriebstechnik. Darüber hinaus ist die WITTENSTEIN SE (www.wittenstein.de) mit rund 60 Tochtergesellschaften und Vertretungen in etwa 40 Ländern in allen wichtigen Technologie- und Absatzmärkten der Welt vertreten.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.
Das Projekt „Eine radikal neue Getriebegattung – Produktivitätssprünge für den Maschinenbau“ wurde eingereicht von „DIHK Deutscher Industrie- und Handelskammertag e.V.“.

Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier verleiht am 28. November 2018 den 22. Deutschen Zukunftspreis an eines der drei nominierten Teams.