Neues Team am MikroTribologie Centrum
Einlaufverhalten einer DLC-Eisen-Paarung
Projekt »RuBio«: Verbesserung der Rutschhemmung von Sicherheitsschuhen
Strukturoptimierte Systembeschichtung für die Abformung hochglänzender Kunststoffteile
Mechanismen der Graphitschmierung unter hoher mechanischer Belastung
Matthias Scherge
Die Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation des Fraunhofer IWM betrachtet Reibungs- und Verschleißprozesse mittels atomarer Simulationsmethoden. Ziel ist es dabei aus einem fundamentalen mikroskopischen Verständnis anwendungsrelevanter Systeme Designvorschläge für ein optimiertes tribologisches Verhalten abzuleiten.
Innerhalb der Gruppe wird nun ein neues Team aufgebaut, das sich in diesem Zusammenhang speziell auf das Verhalten von Schmierstoffen fokussiert: Das Team Molekulares Schmierstoffdesign, unter Leitung von Dr. Kerstin Falk, nutzt insbesondere Molekulardynamik (MD) Simulationen zur Untersuchung flüssiger oder weicher Schmiermittel. Das Themen-Spektrum reicht dabei zum Beispiel von wasserbasierten Schmierstoffen, über niederviskose Öle, bis hin zu Schmierfetten.
Ein besonderes Augenmerk liegt dabei oft auf dem Verhalten in engen Tribo-Spalten, in denen nur eine bis wenige Moleküllagen Schmierstoff im Kontakt verbleiben. Dieser Bereich der Mangelschmierung ist einerseits experimentell schwer fassbar und theoretisch noch ungenügend verstanden, spielt andererseits aber eine entscheidende Rolle für das Systemverhalten im Mischreibungsbereich und beim Übergang zur Grenzreibung. Mit MD Simulationen lässt sich dieses nanoskalige Verhalten direkt beobachten und analysieren, und in Struktur-Eigenschaft-Beziehungen übersetzen. Letztere sind die Grundlage für das eigentliche Ziel: eine Vorhersage der optimalen molekularen Struktur eines Schmierstoffs mit bestimmten gewünschten Eigenschaften.
Um die mikroskopisch gewonnenen Einsichten in eine höherskalige Modellierung zu überführen sind außerdem angepasste rheologische Konstitutivgesetze nötig. Deren physikalisch-basierte Ableitung und nachfolgende Validierung innerhalb von Kontinuumsansätzen, etwa mit Reynolds, ist ein weiterer Arbeitsschwerpunkt des Teams.
Joachim Faller
In der Tribologie gibt es kein Patentrezept, um Tribosysteme, wie beispielsweise Getriebe, Verbrennungsmotoren, oder Pumpen einzufahren, um dadurch optimale Reib- und Verschleißeigenschaften zu erzielen. Der Einlauf bezieht sich auf die ersten Betriebsstunden eines Systems und wird mit einem Abfall des Reibwerts und der Verschleißraten auf ein stationäres Niveau assoziiert. In der Praxis wird das Einlaufverhalten eines Tribosystems häufig ignoriert, oder mittels Versuch-und-Irrtum-Schleifen untersucht. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die geschmierte Tribopaarung einer Eisenspritzschicht und eines amorphen Kohlenstoffs (DLC) systematisch in einem Stift-Scheibe-Tribometer mit Verschleißmessung in Echtzeit untersucht.
Zum Kennenlernen des neuen Tribosystems wurde ein initiales Kennfeld, das sich an der Stribeckkurve orientiert, erstellt. Hierbei wurde die Last-Geschwindigkeits-Ebene (v-p-Ebene) durchfahren. Die Normalkraft und damit die Pressung wurde sukzessive erhöht, wobei in jeder Laststufe die Geschwindigkeit variiert wurde. Zusätzlich wurde das Verhältnis v/p über die Laststufen konstant gehalten, um das Tribosystem unter Mischreibungsbedingungen zu betreiben. Als Ergebnis des initialen Kennfelds (Abbildung 1) konnte eine Abhängigkeit der Reibwerte von der Geschwindigkeit – ein typischer Stribeck-Effekt – festgestellt werden. Gleichzeitig kam es zu einer Abnahme der Reibwerte bei konstanter Geschwindigkeit, was auf die Bildung des dritten Körpers zurückzuführen ist.
Aus dem initialen Kennfeld wurden sogenannte Schlüsselbetriebspunkte abgeleitet. Diese sind durch eine Reaktion des Tribosystems in der Verschleißrate oder im Reibwert charakterisiert. Das in Abbildung 2 dargestellte Kennfeld wurde mit einer hohen Belastung gestartet. Diese Hochlast führte initial zu hohen Verschleißraten, die mit dem topographischen Einlauf zusammenhängen. Des Weiteren führt diese initiale Belastung zu einem nun degressiven Verschleißverhalten mit kleinsten Verschleißraten. Das Tribosystem war stabil, da auch das Anfahren des Dauerlaufbetriebspunkts (nach 18 h) zu keinem sprunghaften Anstieg der Verschleißrate führte. Die Abnahme des Reibwerts erfolgte über knapp 70% der Versuchszeit. Dies verdeutlicht, dass eine alleinige Betrachtung von Reibung, oder Verschleiß nicht zielführend ist, da Änderungen mit verschiedenen Zeitkonstanten ablaufen.
Originalpublikation:
Faller, J.; Scherge, M.: The Identification of an Adequate Stressing Level to Find the Proper Running-In Conditions of a Lubricated DLC-Metal-System. Lubricants 2020, 8, 88. DOI: https://doi.org/10.3390/lubricants8090088
Dr. B. Schlüter, Dr. R. Jaeger
Ein Fünftel aller meldepflichtigen Arbeitsunfälle sind auf Stolpern, Ausrutschen und Stürze zurückzuführen, im Jahr 2014 waren dies mehr als 171 000 Unfälle. Daher sind rutschfeste Arbeitsschuhe Bestandteil der „persönlichen Schutzausrüstung“ für Arbeitnehmer, die in Bereichen mit glatten oder feuchten Fußböden arbeiten. Die Prüfverfahren zur Bestimmung der Rutschhemmung von Arbeitsschuhen berücksichtigen die Wechselwirkung von Schuhwerk, Böden und Verschmutzungen und führen zu einer Klassifizierung, die die Eignung der Schuhe für bestimmte Verschmutzungsbedingungen beschreibt. Was in der Bewertung der Rutschhemmung von Arbeitsschuhen bisher eine untergeordnete Rolle gespielt hat, ist die individuelle Biomechanik des Benutzers: wie wird die Rutschhemmung des Schuhs durch das individuelle Gangprofil des Trägers beeinflusst?
Dieser Frage werden sich ab September 2020 die molibso GmbH und das MikroTribologie Centrum µTC im vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderten Projekt „Verbesserte Rutschhemmung von Sicherheitsschuhen durch Berücksichtigung der individuellen Biomechanik des Trägers“ in den nächsten zwei Jahren widmen.
Gang- und Videoanalysen, die die molibso GmbH auf einer mit 15.000 Sensoren bestückten Druckmessplatte durchgeführt hat, ergaben, dass die Druckverteilung auf der Kontaktfläche zwischen der Sohle von Arbeitsschuhen und dem Untergrund sowohl von dem individuellen Gangprofil als auch der individuellen Passung des Arbeitsschuhs abhängen (siehe Abbildung 1 und 2). Da die Druckbilder die Kontaktmechanik zwischen Sohle und Boden bestimmen, folgt daraus, dass die Rutschhemmung eines Arbeitsschuhs sowohl von Kennwerten des Schuhs, des Sohlenmaterials und -designs als auch von der individuellen Passform und dem individuellen Druckbild des Trägers beeinflusst wird.
Im Projekt wird eine mit einem Schmiermedium versehene schiefe Ebene mit einer Druckmessplatte ausgerüstet, über die Probanden mit verschiedenen Sicherheitsschuhen laufen und eine Rangfolge der Sicherheitsschuhe hinsichtlich der individuell erfahrenen Rutschsicherheit erstellen werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen zwei wichtige Fragen beantworten:
Die Ergebnisse eines erfolgreichen Projekts können dem Einzelhandel für persönliche Sicherheitsausrüstungen, den Herstellern von Sicherheitsschuhen und den Berufsgenossenschaften zu Gute kommen.
Verschleißfeste PVD/PECVD-Systembeschichtungen mit angepasster Oberflächentopografie ermöglichen prozesssicher Abformung von hochglanzpolierten Kunststoffformwerkzeugoberflächen
Zur Erzeugung von Kunststoffartikeln mit hochglänzenden Oberflächen werden hochganzpolierte Werkzeugoberflächen bei hohen Temperaturen in Kontakt mit polymeren Formmassen gebracht und dabei so gut wie möglich abgeformt. Der formschlüssige Kontakt zwischen Polymer und Werkzeug resultiert in einer sehr großen effektiven Kontaktfläche, an der sich van-der-Waals-artige Anziehungskräfte sowie chemische Wechselwirkungen ausbilden, die bei einer anschließenden Entformung wieder überwunden werden müssen. Dies kann speziell bei sehr glatten Werkzeugoberflächen soweit führen, dass eine prozesssichere Entformung nicht mehr gewährleistet werden kann.
Zur Lösung dieses Problems können zwei Ansätze verfolgt werden. Einerseits können durch eine chemische Veränderung der Werkzeugoberfläche oder durch Reduzierung der Kontaktfläche die Anziehungskräfte reduziert werden. Letzteres wird durch gezieltes mechanisches Aufrauen der Werkzeugoberfläche bewerkstelligt. So lassen sich Haftkräfte zwar oftmals reduzieren, die daraus resultierende, verminderte Oberflächengüte erlaubt allerdings nur eine Anwendung in Einzelfällen. Ähnlich verhält es sich bei der Aufbringung antiadhäsiver Beschichtungen. Zwar sind Beschichtungen mit möglichst niedriger Oberflächenenergie und geringem polaren Anteil (z.B. siliziumhaltige Beschichtungen auf DLC-Basis) in der Lage, Entformkräfte zu reduzieren, ihre Rauheit lässt sich aber nur schwer über den Beschichtungsprozess steuern, was zu einer ungewollten Aufrauhung der Formwerkzeugoberfläche führt.
Eine weitere Verbesserung kann daher nur erreicht werden, wenn durch eine Beschichtung sowohl die chemische Wechselwirkung, als auch die Kontaktfläche (Nanostruktur) optimiert wird. Für Hochglanzoberflächen ergibt sich daraus ein Spannungsfeld, in dem bisher die beiden Anforderungen nicht gleichzeitig erfüllt werden können.
Glatt ist nicht gleich glatt
Das MikroTribologie Centrum forscht deshalb an der Strukturaufklärung und der Optimierung der Kontaktfläche zwischen Polymer und Werkzeug in einem Skalenbereich, der stets im optischen Hochglanzbereich zu liegen kommt.
Als Hochglanzoberfläche werden im industriellen Umfeld Oberflächen mit einer mittleren Rauheit von Ra < 20nm, vorzugsweise Ra < 10 nm, definiert. Zur Aufklärung des Adhäsionsverhaltens ist eine exakte mathematische Beschreibung von Hochglanzoberflächen notwendig, die insbesondere die Wahl aussagekräftiger Kenngrößen erfordert. Die Forschungsarbeiten am MikroTribologie Centrum haben gezeigt, dass die Beschreibung von Hochglanzoberflächen und der Korrelation der Werkzeug-Oberflächentopografie mit den gemessenen Entformungskräften äußert komplex ist und die Angabe der in der EN-ISO 4288:1997 definierten Oberflächenrauwerte Ra oder Rq nicht ausreicht.
Für eine aussagekräftige Beschreibung der Oberfläche mussten sowohl Flächenrauheitsparameter (Sa, ISO 25178-3), Abstandsparameter (Spitzendichte, Sds) und Hybridparameter (Steilheit der Oberfläche, Sdq) als auch Verteilungsfunktionen (Höhenverteilung, Spitzenverteilung, Krümmung) sowie die in der Tribologie gebräuchlichen Abbot Firestone Curve (AFC) und die Power Spectral Density (PSD) ausgewertet werden. Die Korrelation der Oberflächenparameter (Sa, Sds, Sdq, AFC, PSD) mit den gemessenen Haftkräften hat z.B. gezeigt, dass neben der Rauheit (Sa) vor allem die Spitzendichte (Sds) einen signifikanten Einfluss auf die Haftkräfte hat.
Die Kombination macht’s
Um den Widerspruch zwischen Hochganzabformung und Kontaktflächenminimierung zu überwinden, entwickelt das MikroTribologie Centrum in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IST und dem Fraunhofer LBF ein mehrlagiges Schichtsystem, das aus einer nanostrukturierten PVD-Hartstoff-Templateschicht und einer antiadhäsiven Deckschicht besteht.
Durch gezielte Steuerung der Abscheideparameter Druck, Leistung und Sputterzeit gelang es, die Oberflächentopographie der Kombinationsschicht bezüglich der Parameter Rauheit (Sa = 1 nm - 20 nm), Spitzendichte (Sds 1μm-1 - 5 μm-1) und mittlerer Oberflächensteilheit (Sdq 1° - 10°) in den o.g. Grenzen gezielt so einzustellen, dass eine Aufrauhung der Oberfläche und damit die Reduktion der Kontaktfläche nur auf einer Längenskala stattfanden, die den optischen Hochglanzeindruck erhielten.
Durch diese PVD/PECVD-Kombinationsbeschichtung ist es gelungen, die Ablösekräfte in Heißprägeprozessen für PET gegenüber einer unbehandelten Werkzeugoberfläche, um ca. 60% zu reduzieren. Ohne eine Strukturoptimierung, d.h. nur mit einer antiadhäsiven Deckschicht, konnten die Kräfte nur um ca. 40% reduziert werden. Die Rauheit der abgeformten Teile wurde durch die mehrlagige Beschichtung zwar von einem Sa von 3,3 nm auf 7,5 nm erhöht, liegt jedoch immer noch deutlich innerhalb des als Hochglanz definierten Bereichs. Der optische Eindruck wurde durch diese Veränderung nicht nennenswert gemindert.
Dank
Die Arbeiten wurden durch ein IGF-Vorhaben (Nr. 19545 N) der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Kunststoffe e. V. (FGK), Haardtring 100, 64295 Darmstadt über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Dr. Frank Meyer,
Dr. Frank Burmeister,
Dr. Bernd Steinhoff, Abteilung Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung des Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF)
Dr. Hans Kothe, Arbeitsgruppe Thermoplastverarbeitung Bereich Kunststoffe der Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Dr.-Ing. Martin Keunecke, Leiter der Arbeitsgruppe Tribologische Systeme am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Carina E. Morstein
Festschmierstoffe kommen in tribologischen Systemen zur Anwendung, bei welchen konventionelle Flüssigschmierstoffe an ihre Grenzen kommen. Vor allem unter hoher mechanischer Belastung, bei hohen Temperaturen oder im Vakuum weisen sie eine deutlich bessere Schmierwirkung und Stabilität auf als flüssige Schmierstoffe. Ein vielseitig verwendeter Schmierstoff ist hierbei Graphit. Aufgrund des lamellaren Aufbaus aus einzelnen Graphenlagen wird bis heute das sogenannte „deck-of-cards-Modell“ verwendet, um seine guten Schmiereigenschaften zu begründen. Diesem Modell liegt die Argumentation zugrunde, dass die einzelnen Graphenlagen unter Scherspannung wie ein Kartendeck voneinander abgleiten können und dadurch niedrige Reibwerte erzielt werden können. Dieses Modell kann allerdings nicht alle experimentellen Ergebnisse erklären, z.B. die guten Schmiereigenschaften von einzelnen Monolagen Graphen. Es ist des Weiteren bekannt, dass die Schmierwirkung von Graphit stark abhängig von der umgebenden Luftfeuchtigkeit ist: Im Vakuum werden sehr hohe Verschleiß- und Reibwerte gemessen, erst ab einer gewissen Luftfeuchtigkeit kann eine gute Schmierwirkung beobachtet werden. Der zugrundeliegende Mechanismus für diese Beobachtung ist aber immer noch unbekannt.
Im Rahmen des DFG Schwerpunktprojektes SPP2074 »Fluidfreie Schmiersysteme unter hoher mechanischer Belastung« wird diesen offenen Fragen nachgegangen. Das IAM-CMS und das IPEK des KIT sowie das Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrum erforschen in Kollaboration die Mechanismen der Graphitschmierung in hochbelasteten Axialwälzlagern. Am IAM-CMS werden hierfür Laborexperimente auf Mikroebene durchgeführt, um die Schmiermechanismen von Graphit zu untersuchen und eine Datengrundlage für Simulationen bilden zu können. Hierfür werden mit Graphit beschichtete Eisenoberflächen in Reibversuchen belastet.
Im bisherigen Projektverlauf wurden die graphitbeschichteten Eisenproben in einem Mikrotribometer mit linearer Bewegung untersucht. Hierbei wurde mit einer 100Cr6 Kugel reversierend über die Probe verfahren und die Reibspuren anschließend mittels Konfokalmikroskopie, RAMAN Spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und (Transmissions-) Elektronenmikroskopie untersucht. Um die zu Grunde liegenden Mechanismen genauer zu verstehen, wurden wichtige Einflussparameter variiert, u.a. die Graphitschichtdicke, Normalkraft, Rauheit des Substrates sowie die Luftfeuchtigkeit innerhalb des experimentellen Aufbaus. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend in FEM- und atomistischen Simulationen des IPEK bzw. des Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrums implementiert. Durch den ständigen Austausch zwischen den Instituten können somit die Ergebnisse aus Experiment und Simulation für die gegenseitige Validierung und Optimierung verwendet werden. Im weiteren Verlauf des Projektes wird u.a. ein Holographie-Tribometer verwendet, um die Schmiereigenschaften von Graphit unter Rollreibung zu untersuchen und in situ die Entwicklung der Probenoberfläche beobachten zu können.
MikroTribologie Centrum μTC
