Masterarbeit zum Thema: Bestimmung der Eishärte für Wintersportanwendungen
Komplett rezyklierfähiger sortenreiner Leichtbau-Verbundwerkstoff für Spritzgussbauteile entwickelt
Molekulardynamische Bestimmung von Schmierstoff-Viskositäten
Zuverlässige keramische Federn
Maurice Godet Award für µTC-Doktorandin Julia Lehmann
Die Härte des Eises ist in den meisten Wintersportdisziplinen von ausschlaggebender Bedeutung für den Erfolg des Athleten. Leider gibt es nur wenige Zahlenwerte unter mechanischen Belastungen, wie sie z.B. beim Eisschnelllauf auftreten. Das soll sich ändern. Hierfür suchen wir nach einem sportbegeisterten Studenten des Maschinenbaus, der Werkstoffwissenschaft oder der Physik. Die Arbeiten erfolgen am MikroTribologie Centrum in Karlsruhe unter der Leitung von Prof. Dr. Matthias Scherge.
23.09.2019
Dr. Raimund Jaeger
Polyethylen (PE) wäre ein ideales Material für den Leichtbau: energieeffizient, auch aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar, nahezu rückstandslos rezyklierbar. Wirklich mechanisch belastbar sind jedoch bisher nur PE-Bauteile, die als Komposite mit integrierten Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum µTC, haben gemeinsam mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller LyondellBasell nun ein tragfähiges, »sortenreines PE-Komposit« hergestellt und qualifiziert. Der Clou: Die verstärkenden Faserstrukturen bestehen ebenfalls aus PE und bilden sich sogar im Spritzguss selbst.
Die Kohlenwasserstoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) machen gut die Hälfte aller weltweit produzierten Kunststoffe aus. PE findet sich in vielen Kunststoffprodukten des täglichen Gebrauchs. Als sortenreines Material ist es einfach und quasi unendlich häufig wiederverwendbar: gebrauchtes Produkt raspeln, aufschmelzen und zu neuen Bauteilen formen bei gleichbleibend guter Qualität. Oder PE wird erhitzt und zu Rohstoffen für die chemische Industrie oder zu Bausteinen für die Herstellung von Kohlenwasserstoffmaterialien zurückverwandelt – ganz ohne Rückstände. Darum und aufgrund ihres geringen Gewichts sind Kohlenwasserstoffmaterialien allgemein ideal für den nachhaltigen Leichtbau: beispielsweise in der Automobilindustrie, die bei ihren Produkten die Wiederverwertbarkeit zu einem gewissen Prozentsatz gesetzlich nachweisen muss.
Jedoch können aus regulärem PE bis heute keine tragfähigen Bauteile hergestellt werden, da es als Werkstoff nicht widerstandsfähig genug ist. Zur Verstärkung werden bisher Füllstoffe genutzt, besonders Kohlenstoff- oder Glasfasern. Dabei verschlechtert sich die Energie-, Rohstoff-, Umwelt- und Kostenbilanz dramatisch: Die Herstellung sowie das Recycling sind erheblich erschwert und kostspielig. Eine Alternative bietet sogenanntes ultrahochmolekulares PE (UHMWPE), das als Hochleistungswerkstoff beispielsweise in medizinischen Implantaten wie Hüftpfannen oder Kniegelenken verwendet wird. Dieser sortenreine, hochfeste und abriebbeständige Werkstoff lässt sich jedoch nicht im Spritzguss verarbeiten: Er muss aufwändig und kostenintensiv als Pulver in eine Form gepresst, gesintert und danach zum exakten Bauteil gefräst werden. Fasern aus UHMWPE können zwar die Festigkeit von Stahl erreichen, sind jedoch teuer und für ein Werkstoffrecycling ungeeignet.
»Im Projekt SusCOMP forschten wir an sortenreinen Kompositen aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Komposite erreichen«, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter »Polymertribologie und biomedizinische Materialien« am Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. »Die Firma DSM spinnt zwar bereits Hochleistungsfasern aus langen UHMWPE-Molekülketten, die sich entlang der Faserrichtung orientieren, sogenannte Dyneemafasern.« Solche Fasern als Verstärkung in PE einzubringen wäre technisch möglich, sei aber mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden und für das Werkstoffrecycling ungeeignet.
Abb. 2: Bauteile aus sortenreinen PE-Kompositen: Mittels Katalysator werden unterschiedliche, unverzweigte PE-Ketten hergestellt (oben) und die in der 3D-Druckdüse entstehenden Faserstrukturen in der gewünschten Orientierung im gedruckten Bauteil abgelegt. (© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM)
»Im Projekt SusCOMP forschten wir an sortenreinen Kompositen aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Komposite erreichen«, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter »Polymertribologie und biomedizinische Materialien« am Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. »Die Firma DSM spinnt zwar bereits Hochleistungsfasern aus langen UHMWPE-Molekülketten, die sich entlang der Faserrichtung orientieren, sogenannte Dyneemafasern.« Solche Fasern als Verstärkung in PE einzubringen wäre technisch möglich, sei aber mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden und für das Werkstoffrecycling ungeeignet.
Die Lösung für diese Herausforderung fand Prof. Dr. Rolf Mülhaupt mit seinem Team am Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Albert-Ludwigs-Universität: Er platziert unterschiedliche Katalysatoren, mit deren Hilfe PE in verschiedenen Kettenlängen gezielt hergestellt werden kann, fein verteilt auf dem gleichen Katalysatorträger. An diesem Katalysator werden bei der folgenden Synthese des PE durch Ethylenpolymerisation gleichzeitig Mischungen aus nieder-, mittel- und ultrahochmolekularem PE hergestellt, sogenannte Reaktorblends. »Mit diesem Trick entstehen direkt bei der Polymerisation PE-Blends, die sich problemlos spritzgießen lassen«, erklärt Prof. Dr. Mülhaupt. Das Verfahren vermeidet hohe Viskositäten, die normalerweise eine Herausforderung sind, wenn ein hoher Anteil von UHMWPE-Molekülketten im Spritzguss verarbeitet werden soll. Die hohen Scherströmungen, die beim Spritzguss in schmale Spritzgussformen auftreten, sind dann dafür verantwortlich, dass sich aus den ultrahochmolekularen Bestandteilen durch Selbstorganisation des Werkstoffs faserartige UHMWPE-Strukturen ausbilden. Diese Fasern verstärken das Bauteil, orientieren sich beim Spritzguss sogar in der gewünschten Richtung und sorgen so für mechanische Stabilität. Und diese Bauteile lassen sich gut wiederverwerten: »Wir haben Proben davon insgesamt zehn Mal werkstofflich rezykliert und immer die gleich gute Qualität erhalten, da sich die gewünschten Werkstoffstrukturen durch Selbstorganisation immer erneut ausbilden«, so Prof. Dr. Mülhaupt. Proben dieses neuen Hochleistungsmaterials prüften die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IWM auf ihre Werkstoffeigenschaften hin. Die mechanischen Eigenschaften zeigen: Es sind viele Anwendungen vorstellbar, beispielsweise lange Möbelteile, Schienen- und Rolladenführungen oder Teile fürs Autointerieur. Neben dem geringen Gewicht haben die Bauteile auch den Vorteil, Schmierstoffe auf Wasserbasis sehr gut zu vertragen.
In dem Nachfolgeprojekt 3D-SusCOMP geht es nun darum, das Material per 3D-Drucker zu verarbeiten. Bisher ließen sich die guten Eigenschaften der sortenreinen Komposite nur erreichen, wenn die Polymere in einer schmalen Spritzgussform orientiert wurden. Jedoch: die Verstärkung durch Selbstorganisation erfolgt ausschließlich in der Richtung, die durch die Spritzgussform vorgegeben ist. Das ist bereits ein großer Fortschritt, allerdings sind auch andere Bauteilformen und Werkstoffe, sogenannte multidirektionale Komposite, wünschenswert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus: In der Düse eines 3D-Druckers bilden sich die Faserstrukturen ebenfalls aus. Deren Orientierung im Bauteil kann jedoch im Gegensatz zum Spritzguss über die Bewegung des Druckkopfs gesteuert werden. Hierdurch sind viele neue Anwendungen für diesen recyclinggerechten Werkstoff denkbar: neben Zahnrädern im Automobil oder für die Lebensmittelindustrie können auch sich anschmiegende Robotergreifer, medizinische Orthesen oder Steckverbinder »aus einem Guss« hergestellt werden.
Die beiden Projekte SusCOMP und 3D-SusCOMP des Freiburger Leistungszentrums Nachhaltigkeit werden vom Land Baden-Württemberg und der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Grundlage bei der Katalysatorentwicklung ist eine langjährige, durch das BMBF geförderte Forschungskooperation des Freiburger Materialforschungszentrums und dem weltweit führenden Unternehmen LyondellBasell in Frankfurt.
Dr. Kerstin Falk
Zur optimalen Auslegung geschmierter tribologischer Kontakte ist die Kenntnis der Schmierstoffeigenschaften unter den im belasteten Kontakt vorherrschenden Bedingungen notwendig. Empirische Formeln zur Vorhersage der Viskosität, wie Barus oder Roelands, werden üblicherweise an experimentelle Werte im Normaldruck-Bereich angefittet und zu höheren Drücken extrapoliert. Für die in Reibkontakten lokal auftretenden extremen Pressungen (im GPa Bereich) können sie allerdings versagen.
Atomistische Molekulardynamik Simulationen erlauben die numerische Berechnung von Schmierstoff-eigenschaften unter kontrollierten, nahezu beliebig einstellbaren, Druck- und Temperaturbedingungen. In diesem Projekt wurde dies zunächst für die Viskositätsberechnung verschiedener Modell-Schmierstoffe aus linearen und verzweigten Alkanen bei Drücken bis etwa 0.7 GPa demonstriert.
Abbildung 1: Skalierung der Viskosität η als Funktion der Dichte ρ (Plot oben) mittels weniger Strukturgrößen (Skizze unten) für verschiedene lineare und verzweigte Alkane (rot: n-Dodecan, orange: n-Hexadecan, grün/hellblau/ dunkelblau: Polyalphaolefine C10-Dimer/-Trimer/-Tetramer) entsprechend des physikalisch motivierten Hochdruck und –temperatur Viskositätsmodells.
Über die explizite Berechnung der Viskosität hinaus, ermöglicht die atomistische Simulation auch eine mikroskopische Betrachtung der Schmierstoff Struktur und Dynamik. Mittels geeigneter statistischer Analysen konnte dadurch für Alkan-basierte Schmierstoffe ermittelt werden, welche molekularen Größen die Viskosität bestimmen. Daraus resultiert ein physikalisch motiviertes Viskositätsmodell, das nur von der Schmierstoff-Dichte und Temperatur, sowie von wenigen Molekül-Strukturgrößen abhängt. Diese Strukturgrößen sind der mittlere effektive Moleküldurchmesser, der mittlere Abstand zwischen benachbarten Molekülen, sowie die Flexibilität der Alkanketten. Diese drei Größen sind weitgehend unabhängig von der Dichte und können daher alle aus einer einzigen Molekulardynamik Simulation bei beliebiger Dichte -- beziehungsweise Druck, z.B. Normaldruck -- bestimmt werden. Zusammen mit einer akkuraten Zustandsgleichung für Druck, Temperatur und Dichte ergibt sich mit wenig Aufwand ein parameterfreies Viskositätsmodell, das auch als Konstitutivgesetz in Reynoldssolver implementiert werden kann.
Dieses physikalisch-basierte Viskositätsmodells soll in Zukunft gezielt adaptiert werden, um weitere anwendungsrelevante Bedingungen abbilden zu können. Dies beinhaltet als nächsten Schritt eine Erweiterung auf die rheologischen Eigenschaften in engen Spalten, die insbesondere auf Grund der Verwendung immer dünnflüssigerer Öle eine zunehmend wichtige Rolle spielen: Eine korrekte Beschreibung dieses Reibregimes mit nanoskaligen Schmierfilmdicken ist mit einer EHD-Betrachtung möglich, für die entsprechende Konstitutivgesetze auf der Nanoskala jedoch noch fehlen. Am IWM stehen atomistische Simulationen als ideales Werkzeug bereit, um die notwendigen Konstitutivgesetze aufstellen zu können.
Die bisherigen theoretischen Arbeiten zum Viskositätsmodell befinden sich aktuell bei der Zeitschrift Physical Review Letters unter Begutachtung.
Abbildung 1: S-N bzw. Wöhler Kurven von Schraubendruckfedern (SDF), 4-Punkt-Biege- (4-BP) und Torsionsproben wurden für die Siliziumnitridkeramik (SSN) bei 1000°C und auch im Vergleich zu RT aufgetragen. Die S0= 0 Werte zeigen die mittlere (weibullverteilt) quasistatische Festigkeit aus der Prüfung bzw. aus einer Umrechnung an.
Dr.-Ing. Christof Koplin
Insbesondere in den Nutzungsbereichen der Energietechnik und chemischer Anlagen besteht ein starkes Interesse an hochtemperaturstabilen und korrosionsfesten Federn, die über möglichst lange Zeiträume zuverlässig und wartungsfrei funktionieren sollen, ohne dabei ihre Eigenschaften zu verändern. Für die Funktion eines Federbauteils werden in der Praxis ein zuverlässiges Bauteilverhalten und ein unkritisches Reibverhalten zu Federaufnahmen und -führungen vorausgesetzt. Mit keramischen Werkstoffen lassen sich Federn herstellen, die bei sorgfältiger Auslegung ihre Stabilität und Elastizität weit über die Einsatzgrenze von metallischen Federn (550°C) hinaus bis zu sehr hohen Temperaturen erhalten und die darüber hinaus (je nach Werkstoff 800°C, z.B. Zirkonoxid, oder bis 1000°C, z.B. Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid) auch in chemisch aggressiven Medien einsetzbar sowie elektrisch isolierend und nichtmagnetisch sind. Weitere Vorteile können im Vergleich zu metallischen Federn technische Eigenschaften, wie eine Vermeidung von Energiedissipation, eine Reduktion der Federträgheit (hoher E-Modul bei geringer Masse) und eine minimale spezifische Federkonstante sein. Somit bieten sie das Potenzial, die Einsatzmöglichkeiten von verschiedensten technischen Systemen erheblich zu erweitern – bis hin zum Einsatz von unmagnetischen und elektrisch isolierenden Federn.
Abbildung 2: Die Belastungsverteilung innerhalb einer Tellerfeder wurde gemäß der Beschreibung von Kobelev et al. über Anwendung der Shell-Theorie in Excel als innere Variable des Zuverlässigkeitsmodells berechnet, so dass ein federwegbegleitendes effektives Beanspruchungsvolumen berechnet wird, welches Grundlage für die statistische Berechnung der Festigkeit und des Versagensrisikos ist.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit der Fraunhofer Institute IKTS und IWM wurden Schraubendruck- und Tellerfedern entwickelt und qualifiziert. Voraussetzung für die Etablierung am Markt war neben einer begleitenden Festigkeitscharakterisierung die Bereitstellung von spezifischen Auslegungstools für Schraubendruck- und Tellerfedern. Mit diesen werden die für den Konstrukteur nötigen Designauswahlschritte über eine für die Keramik notwendige Zuverlässigkeitsbewertung durch Ausfallwahrscheinlichkeit oder wahrscheinlicher Zyklenfestigkeit ermöglicht.
Die Demonstration der Herstellung und Eignung von Schraubendruckfedern und Tellerfedern aus Siliziumnitridkeramik ist hierbei gelungen. Mit der material- und geometriespezifischen Herstellungsmethode konnten in Kleinserien Federn mit einer dem Material zugewiesenen Ermüdungsfestigkeit (10 Mio. Zyklen) bei 1000°C abgeprüft werden. Neben hochtemperaturfestem Siliziumnitrid (SSN) wurde Zirkonoxid (ATZ) als hochfester keramischer Werkstoff verwendet. Dieser könnte sich insbesondere für den Einsatz in korrosiven Medien eignen. Die Untersuchung und Bewertung der Federn aus diesem Material ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Abbildung 3: Die zyklische Belastung von Tellerfedern und -paketen (hier von Zirkonoxidkeramik - ATZ) zeigt aufgrund der Kopf-, Fuß- und Führungsreibung ein hysteretisches Verhalten, welches mit zunehmender Federzahl pro Paket weniger sichtbar aber gleichermaßen schädigungsrelevant ist.
Im Anschluss an den Nachweis des zuverlässigen Bauteilverhaltens stehen nun in Folgeprojekten Schritte an, die insbesondere für Tellerfedern die Reibkontakte zu den Federaufnahmen und –führungen betreffen, und ebenso einer hochtemperatur- oder korrosionsbelasteten Umgebung standhalten.
Die Ergebnisse dieses Projektes werden demnächst in dem Tagungsband der TU Ilmenau, Steinbeis-Transferzentrum Federntechnik: Ilmenauer Federntag 2019 sowie in einem internationalen Journal veröffentlicht.
Auf dem diesjährigen 46. LeedsLyon Symposium der Tribologie in Lyon wurde die Nachwuchswissenschaftlerin Julia Lehmann vom KIT IAM-CMS MikroTribologie Centrum µTC für das beste Paper und die beste Präsentation zum Thema „Velocity-dependence of tribologically-induced oxidation of high-purity copper“ mit dem Maurice Godet Award ausgezeichnet. Der mit 500€ dotierte Preis ist zu Ehren des Mitgründers des Symposiums Maurice Godet gestiftet worden und würdigt die Arbeit junger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen auf dem Gebiet der Tribologie.
Wir gratulieren Julia Lehmann ganz herzlich zur Auszeichnung!
MikroTribologie Centrum μTC
