Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums

Aktuelles

Beiträge zum 22nd International Colloquium Tribology

17.01.2020

© Fraunhofer IWM

Daniel Kümmel:

Behavior of Ti6Al4V Surface Textured by Cutting Tools

Martin Dienwiebel:

In Situ Studies on the Competitive Adsorption of Lubricant Additives

Jennifer Honselmann, Jonas Wagner, Philipp Daum, Martin Dienwiebel, Thomas Rühle:

Tribology with Gas Phase Deposited Lubricant Additives

Daniel Kümmel, Erik Segebade, Volker Schulze, Johannes Schneider:

Behavior of Ti6Al4V Surface Textured by Cutting Tools

Felix Gatti, Tobias Amann, Jürgen Rühe:

Programmable Friction

Takuya Kuwahara, Gianpietro Moras, Michael Moseler:

Atomistic Simulations of Tetrahedral Amorphous Carbon in Boundary Lubrication

Gianpietro Moras:

Surface Termination in Dry Friction: Atomic-Scale Insights from Computer Simulations

Christian Greiner, Julia Lehmann, Reinhard Schneider:

Sliding Velocity and Exposure Time Affect Tribologically-Induced Oxidation in Copper

 

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Ein Jahr Plattform TriboInnovation

13.01.2020

© Fraunhofer IWM

Matthias Scherge

Mittlerweile besteht die µTC Plattform TriboInnovation fast 1 Jahr. Diese Aktivität des MikroTribologie Centrums vereint derzeit 20 strategische Industriepartner und dient der vorwettbewerblichen tribologischen Forschung. Alle strategischen Partner erhielten am Anfang des Jahres einen ca. 60 seitigen Report, in dem die Trends für dieses Jahr aufgezeigt wurden. Basierend auf diesem Dokument wurden kurz laufende und finanziell kleinvolumigere Pilotprojekte und Studien aufgesetzt, die sich gut abgrenzbaren Themen – wie z.B. der Optimierung des  Finish-Prozesses eines Kolbenbolzens – widmeten. Mitte November fand die Auftaktveranstaltung zur Tribo-Digitalisierung statt. Ab April 2020 wird es ein Pilotprojekt zur Erstellung einer Tribo-Ontologie – dem ersten notwendigen Schritt in Richtung einer konsequenten Digitalisierung tribologischer Analytik und Problemlösung – geben. Zu diesem Projekt besteht noch die Möglichkeit der Teilnahme.

Bei den Vertiefungsprojekten, mit 3 bis 5 Partnern und einer Finanzierung über 3 Jahre,  liefen in 2019 drei Arbeiten, die sich auf Themen wie z.B. tribologische Ermüdung unter Wasserstoffeinfluss oder simulative Ansätze zur Tribochemie konzentrierten.

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Diamant-SiC-Komposite für Gleitlager in SubSea-Anwendungen

22.11.2019

Dr. Andreas Kailer

Für Unterwasseranwendungen werden höchststabile Werkstoffe und Komponenten gebraucht

Neue Technologien, insbesondere auch die Elektromobilität, führen zu einem rasant steigenden Bedarf an Ressourcen, deren Versorgungssicherheit aus verschiedenen Gründen immer kritischer wird. Daher gewinnen Technologien rasant an Bedeutung, mit denen Rohstoffe ökonomisch und umweltschonend aus dem Meer gefördert werden können. Eine große Herausforderung ist dabei die Absicherung störungsfreier Abläufe, da durch Stillstand, Wartung und Reparatur mariner Anlagen und Systeme enorme Kosten verursacht werden. Daraus resultiert der dringende Bedarf an Werkstoffen und Komponenten, die unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren und möglichst nicht gewartet werden müssen.

Schlüsselkomponenten sind in solchen SubSea-Systemen häufig Lagerungen und dynamische Dichtungen, da diese zusätzlich hohen Reibungs- und Verschleißbeanspruchungen ausgesetzt sind.

Für derartige Einsatzbedingungen wurden im Rahmen einer Fraunhofer-Vorlaufforschung[i] Werkstoffe und Komponenten mit größtmöglicher Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit entwickelt. Aufgabe des Fraunhofer IWM war dabei die Untersuchung und Modellierung der Werkstoffe und Komponenten hinsichtlich Festigkeit und Zuverlässigkeit sowie der tribologischen Eigenschaften – Reibung und Verschleiß – in korrosiven Medien.

© Fraunhofer IWM
Abbildung 1: Die Abrasionsbeständigkeit von Diamant-SiC-Keramiken ist im Vergleich zu anderen Werkstoffen wesentlich höher. Links oben im Diagramm ist das Prüfprinzip des Abrasionsversuchs (Reibradversuch nach ASTM G65) dargestellt.

Warum Diamant-SiC-Keramiken?

Diamant-SiC-Werkstoffe (SiC: Siliciumcarbid) sind extrem belastbar und verschleißbeständig. Sie zeigen weder korrosive Effekte noch zeit- oder belastungsabhängige Abnahme der Festigkeit. Wie sich die Festigkeit verschiedener Keramiken unter dem Einfluss von erwärmtem Salzwasser verändert, wurde am IWM mit 4-Punkt-Biegeprüfungen und mit einer biaxialen Prüfung („Ball-on-3-Balls“ – B3B) getestet. Bei einer Variation der Belastungsrate über mehrere Größenordnungen kann aus der Veränderung der Festigkeit die Empfindlichkeit der Werkstoffe gegen Spannungsrisskorrosion ermittelt werden. Hierbei zeigte sich, dass die Festigkeit der Diamant-SiC-Keramik von der Belastungsrate unabhängig ist und somit keine Verringerung der Festigkeit über die Belastungsdauer zu erwarten ist.

 

© Fraunhofer IWM
Abbildung 2: Gleitfläche der Diamant-SiC-Keramik. Links: Vor dem Versuch, Rechts: Nach dem Versuch

Reibungs- und Verschleißverhalten unter Wasserschmierung

Ein weiterer entscheidender Vorteil der diamanthaltigen Keramiken ist deren exzellentes Reibungs- und Verschleißverhalten unter Wasser- und Medienschmierung. In Modell- und ersten Bauteilversuchen mit Gleitringdichtungen wurde gezeigt, dass sie um ein Vielfaches abrasionsbeständiger sind als andere Keramiken, Hartmetalle und Stahl (Bild 1) und dass die Gleitreibung auch unter sogenannter Mangelschmierung, d.h. nur geringsten Mengen an flüssigen Zwischenstoffen, extrem niedrig und stabil ist. Der Vergleich der Oberflächen zeigt, dass durch die Gleitbeanspruchung in Wasser lediglich eine leichte Einglättung der nach der Endbearbeitung leicht herausragenden Diamantkörner verursacht wurde (Bild 2).

© Fraunhofer IWM
Abbildung 3: Finite-Elemente-Simulation der Kontaktspannungen (Kugel auf Keramikoberfläche). Links: Kontinuum, Rechts: Mikrostruktur Diamant-SiC

Simulation des Werkstoff- und Bauteilverhaltens

Im Rahmen der Fraunhofer-Eigenforschung wurden Simulationsmethoden entwickelt, mit denen die Werkstoff- und Bauteilbeanspruchung modelliert werden kann. Einerseits können Spannungen im Werkstoffgefüge modelliert werden (Bild 3), andererseits kann die Simulation genutzt werden, um Bauteile richtig auszulegen und deren Zuverlässigkeit über die Beanspruchungsdauer abzusichern. Dadurch lässt sich ein erheblicher Aufwand für die Prüfung und Qualifizierung der Komponenten und Systeme einsparen. Mit neuen Simulationstechniken werden der Widerstand gegen Kontaktschädigung und Verschleiß simuliert, wodurch auch eine Vorhersage der Lebensdauer angestrebt wird.

Für die Entwicklung und Qualifizierung von Diamant-SiC-Werkstoffen und der daraus gefertigten Bauteile in SubSea-Anwendungen gibt es noch viel Arbeit, die in weiteren geplanten Entwicklungsprojekten mit Industriebeteiligung weiterverfolgt wird. Als mögliche Anwendungen werden beispielsweise Pumpenkomponenten wie mediengeschmierte Gleitlager und Gleitringdichtungen für Pumpen gewählt, die in SubSea-Systemen eingesetzt werden sollen.

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Scher-induzierte Amorphisierung von Silizium und Diamant

14.10.2019

© Fraunhofer IWM
Abbildung 1. Sowohl für Diamant als auch für Silizium kann unter kombinierter Druck- und Scherbelastung die Bildung einer amorphen Phase, hier in grau dargestellt, beobachtet werden. Während sich das System im Silizium-Fall im Zuge dieser Phasenumwandlung kontrahiert, vergrößert sich das System im Diamant-Fall. Als Konsequenz begünstigt Druck die Silizium-Amorphisierung und unterdrückt die Diamant-Amorphisierung.

Dr. Gianpietro Moras, Dr. Andreas Klemenz, Thomas Reichenbach, Prof. Dr. Michael Moseler, Prof. Dr. Lars Pastewka

Scherbelastung kann in kristallinen Materialien lokalisierte plastische Verformung hervorrufen. Während dies bei Metallen typischerweise durch die Bewegung von Versetzungen geschieht, können sich spröde kovalente Kristalle mit einer vergleichsweise geringen Versetzungsmobilität durch die Bildung amorpher Scherbänder plastisch verformen. Zu dieser Materialklasse gehören tetraedrische Kristalle wie Silizium und Diamant, deren Verhalten unter kombinierter Druck- und Scherbelastung technologisch von hoher Bedeutung sind. Die Amorphisierung von Silizium ist beispielsweiße verantwortlich für den nanoskaligen Verschleiß von Siliziumspitzen für die Rasterkraftmikroskopie und beeinflusst die Oberflächenqualität von diamantgeschnittenen Siliziumkristallen. Die Amorphisierung von Diamant spielt unter anderem eine zentrale Rolle beim Diamantschleifen.

In einer gemeinsamen Studie des Fraunhofer IWMs, der Universität Freiburg und Asahi Diamond Co., Ltd. wurden mittels molekulardynamischer Simulationen das Verhalten von Silizium und Diamant unter kombinierter Scherung und Kompression untersucht. Die Simulationen zeigen, wie in Abb. 1 dargestellt, jeweils die Bildung eines amorphen Feststoffes mit flüssigkeitsähnlicher Struktur bei Raumtemperatur. In Übereinstimmung mit den entgegengesetzten Dichteänderungen der beiden Kristalle beim Schmelzen ist das amorphe Material dichter als der Kristall beim Silizium und weniger dicht als der Kristall beim Kohlenstoff. Als Resultat wird die Amorphisierung durch den äußeren Druck im Silizium begünstigt, im Kohlenstoff hingegen unterdrückt.

Diese Ergebnisse sind besonders unerwartet für Silizium, dessen amorphe Struktur nur bei Drücken oberhalb des polyamorphen Übergangsdrucks flüssig sein sollte. Die Simulationen zeigen, dass dieser polyamorphe Übergang unter Scherung verschwindet und hochdichtes, flüssigkeits-ähnliches amorphes Silizium mit metallischer Duktilität auch bei geringem Druck entstehen kann. Die Resultate sind potenziell auf andere diamant-kubische Kristalle wie Germanium und hexagonales Eis übertragbar und geben Einblick in die für Reibung und Verschleiß relevanten Nichtgleichgewichts-Phasenumwandlungen.

Die Ergebnisse dieser Studie sind in der Zeitschrift Physical Review Materials veröffentlicht (www.doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.083601).

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µTC-Engagement in der „Tribologie-Lehre“ am KIT

07.10.2019

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: µTC-Tribologielehre am KIT

Johannes Schneider

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des µTC engagieren sich nicht nur in der Forschung zu vielfältigen tribologischen Fragestellungen, sondern darüber hinaus auch in großem Umfang in der Lehre am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Im Fokus stehen hierbei natürlich Vorlesungsangebote aus den Gebieten der Tribologie und Materialwissenschaft.

Im Studiengang Maschinenbau betreut Prof. Dienwiebel den Schwerpunkt „Tribologie“ mit dem Kernfach „Tribologie“ (Prof. Dienwiebel, Prof. Scherge), dem Tribologie-Praktikum (Dr. Schneider, Prof. Dienwiebel), Vorlesungen aus dem Bereich der Nanotribologie und -mechanik (Prof. Dienwiebel), der Schadenskunde (Dr. Greiner, Dr. Schneider) der Kontaktmechanik (Dr. Greiner) und der Atomistik (Prof. Gumbsch und Mitarbeiter). Studierende werden hier mit den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen der Tribologie, der experimentellen Messtechnik und modernen Verfahren der Analytik vertraut gemacht und an aktuelle tribologische Fragestellungen herangeführt.

Einen weiteren Schwerpunkt in der Lehre des µTC stellt die Lasertechnik dar. Dr. Schneider bietet zwei Vorlesungen und ein Laborpraktikum an, die insbesondere von Studierenden des Maschinenbaus, des Wirtschaftsingenieurwesens, der Physik sowie der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sehr gut angenommen werden. Hier werden u.a. Fragestellungen im Hinblick auf die lasergestützte Texturierung von tribologischen Wirkflächen für geschmierte Gleitkontakte behandelt.

Im Studiengang Materialwissenschaft und Werkstofftechnik beteiligt sich das µTC mit einem Praktikumsversuch zur tribologischen Charakterisierung von Stählen und kann so die Studierenden bereits im dritten Semester des Bachelorstudiums mit dem Thema Tribologie vertraut machen.

Im Rahmen von Abschlussarbeiten und als studentische Hilfskräfte werden zahlreiche Studierende in die Forschungsarbeiten sowohl direkt am µTC als auch bei Kooperationspartnern aus der Industrie eingebunden. So kann der „Nachschub“ an geeigneten wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für die Forschungsprojekte am µTC sichergestellt werden.

 

Detaillierte Informationen zum Vorlesungsangebot des µTC am KIT finden sich auch auf der folgenden Website: http://www.iam.kit.edu/cms/Studium_und_Lehre.php

 

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2018-2019