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Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums#

Aktuelles

#»Stiction«-Messungen als robuste Begleitcharakterisierung zur Interaktionsbestimmung von einlaufenden geschmierten Thermoplast-Stahl Kontakten

25.06.2021

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Abb. 1: Die Reibung, die sich nach Einlauf auf einer geschliffenen Stahlscheibe bei Mischreibung ergibt, ist für in Öl ausgelagerte Systeme zur Grenzreibung proportional.

Dr.-Ing. Christof Koplin

In der Antriebstechnik kommen Kunststoffkomponenten häufig in Kontakt mit Schmierstoffen, sei es während des Betriebs oder auch während des Stillstands des Antriebs. Der Schmierstoff kann in den Thermoplast diffundieren und zu einer Änderung der viskoelastischen und viskoplastischen Eigenschaften der Kunststoffkontaktfläche führen und das gesamte tribologische Verhalten beeinflussen.

Für schnelles Screening sucht das µTC Ansätze, mit denen für verschiedene Schmiermedien eine Rangfolge des Reibwerts oder der Verschleißrate schnell und robust ermittelt werden kann, bevor die aufwändigen und von vielen Einflussgrößen abhängenden Stift-Scheibe-Versuche durchgeführt werden. Der Übergang vom Haften zum Gleiten kann mittels einer oszillatorischen Messung durch die Phasenverschiebung von Anregung und Antwort genau analysiert werden. Inwieweit lassen sich aber aus dem Grenzreibungszustand eines ausgelagerten Systems beim Übergang vom Haften zum Gleiten, also einem Zustand ohne Flüssigkeitsreibungsanteil und ohne Einlaufentwicklung, Aussagen über das Verhalten des tribologischen Systems im eingelaufenen Zustand in der Mischreibung treffen?

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Hierzu wurden vier verschiedene Industrieöle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aber gleicher Viskosität, drei Thermoplaste (PA46, POM und PK) und Stahl als Reibpartner untersucht. Die Kunststoffe wurden bei 100°C für 1000 h unter Stickstoffschutz in dem jeweiligen Öl ausgelagert. Für die drei Thermoplaste wurde die »Haftschwelle« Fstiction. mittels oszillatorischer Messungen mit den vier Ölen als Schmiermedium gemessen und hieraus µstiction = Fstiction / Fn ermittelt. Weiterhin wurde der Reibwert im eingelaufenen Zustand µRunIn für die drei Thermoplaste und den 4 Schmiermedien gemessen. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung der Öle (die Viskosität der Öle ist gleich) ergeben sich unterschiedliche Werte µstiction und µRunIn. Eine fortgeschrittene Wechselwirkung des Schmierstoffs mit dem Thermoplast scheint daher schon in der Grenzreibung, beim Übergang vom Haften zum Gleiten, vor Ausbildung eines Schmierfilms und Einlaufeffekten, tribologisch sichtbar zu werden. Darüber hinaus kann offensichtlich zwischen quellenden Systemen mit POM und nicht quellenden Systemen in dieser Korrelation unterschieden werden. Die schnelle und robuste Bestimmung von µstiction scheint universell für den gesamten Mischreibungsbereich nutzbar.

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#Programmierbare Reibung: Reversible Steuerung des Reibwerts mit ionischen Flüssigkeitsmischungen durch elektrische Potenziale

18.06.2021

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Abb. 1: Aufbau des Kugel-3-Stifte Versuchs mit integrierter 3-Elektrodenkonfiguration.

Felix Gatti, Dr. Tobias Amann

Die direkte Steuerung oder sogar Programmierung der Reibeigenschaften eines tribologischen Systems ist eines der großen Ziele der Tribologie. [1] Dabei sind die Mechanismen, die zu einer Veränderung des Reibwerts führen, auf der Nanoskala teilweise erforscht. Diese gilt es nun, auf die Makroskala zu übertragen. [2] Dabei ist es besonders erstrebenswert, die Eigenschaften nicht im Auswahlprozess der Materialien oder des Schmiermediums festzulegen, sondern während des laufenden Betriebs durch einen externen Trigger zu beeinflussen. Eine geeignete Kombination von Schmierstoff und externem Trigger stellt eine enorme Herausforderung dar. Ionische Flüssigkeitsgemische (ionic liquid mixtures, ILMs), bestehend aus einem langkettigen Kation und zwei unterschiedlichen Anionen, und ein extern angelegtes elektrisches Potenzial stellen eine vielversprechende Kombination dar. Durch das Anlegen eines elektrischen Potenzials an das tribologische System (Abbildung 1) wird auf den Reibpartnern eine Oberflächenladung induziert. Je nach Polarisation wird die Adsorption von Kationen oder Anionen im Reibspalt induziert und führt so zu einer Änderung des Reibwerts. Die Kopplung des Tribosystems mit dem elektrischen Potenzial über einen »Tribo-Contoller« ermöglichte die zeitabhängige, autonome und reversible Programmierung des Reibwerts auf vordefinierte Werte (Abbildung 2). [3]

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Abb. 2: Zeitabhängige, autonome und reversible Programmierung des Reibwerts auf einen erhöhten (rote Linien) und einen verminderten (blaue Linien) Reibwert im Vergleich zum unpolarisierten Zustand. Die Programmierung erfolgte nach einer zweistündigen Einlaufzeit des Systems.

Ein erster anwendungsnaher Nachweis der programmierbaren Reibung erfolgt aktuell an einer Kupplung. Bei Reduktion des Drehmoments im laufenden Betrieb unterhalb eines vordefinierten Zielbereichs soll das Drehmoment automatisch auf den idealen Wert zurückgeregelt werden. Die Schaltbarkeit des Reibwerts ist abhängig von den verwendeten ILM, dem Material, den tribologischen Parametern und der Oberflächenladung. Diese Wechselwirkungen werden in weiteren Forschungsarbeiten näher untersucht, um diese Methode der aktiven Reiboptimierung bei technisch relevante Anwendungen wie z. B. Gleit- und Wälzlager zu implementieren.

Diese Ergebnisse entstanden im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien

 

[1] Curtis, C. K.; Streator, J. L.; Krim, J., Friction: Friend and Foe; Surface and Interface Science: Volume 10, Applications of Surface Science II, Volume 10; Wandelt, K. (Hrsg.) Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (2020) 691-734

[2] Urbakh, M. ; Meyer, E., The renaissance of friction, Nature Materials 9/8-10 (2010)

[3] Gatti, F.; Amann, T.; Kailer, A.; Baltes, N.; Rühe; J.; Gumbsch, P., Towards programmable friction: control of lubrication with ionic liquid mixtures by automated electrical regulation, Scientific Reports 10/1 (2020) Art. 17634, 10 Seiten

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#Multiskalige Reibungssimulation von trockenen Polymerkontakten: Erreichen experimenteller Längenskalen durch Kopplung von Molekulardynamik und Kontaktmechanik

04.06.2021

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Abb. 1: Molekulardynamiksimulation einer Paarung zweier amorpher PEEK-Oberflächen. Das Tribosystem wird unter einen Normaldruck P gesetzt und mit einer Geschwindigkeit U geschert, während die beiden Außenflächen auf einer Temperatur T gehalten werden.

J. Hamann, Prof. Dr. M. Dienwiebel, Prof. Dr. M. Moseler

Aufgrund vorteilhafter Eigenschaften wie geringe Reibung, Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und Kosteneffizienz werden Polymere heutzutage zunehmend in tribologischen Anwendungen eingesetzt. In diesem Rahmen ist das Verständnis und die Quantifizierung von Reibungsprozessen in Polymergrenzflächen von grundlegender Bedeutung, um ihren Anwendungsbereich zu optimieren und ihre Lebensdauer zu verbessern.

Die numerische Modellierung der Polymerreibung ist nach wie vor ein anspruchsvolles Thema, da mehrere Faktoren wie Adhäsion, viskoelastische und thermische Effekte sowie plastische Prozesse und Pflügen berücksichtigt werden müssen. Eine alternative Methode, um Einblicke in das tribologische Verhalten von Polymergrenzflächen zu erhalten, bieten atomistische Simulationen, wie z. B. die Molekulardynamik (MD). Trotz ihrer umfangreichen Einblicke, bleiben diese rechenintensive Werkzeuge, welche auf Längen- und Zeitskalen beschränkt sind, die um Größenordnungen von Experimenten und typischen Anwendungen entfernt sind.

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Abb. 2: Scherspannung als Funktion des Gleitwegs für eine trockene (schwarze Linie) und eine wassergeschmierte (blaue Linie) Tribopaarung (P=100MPa, U=100m/s, T=300K, 10.4 nH2O/nm²). Die beiden Insets zeigen die Umverteilung des Wassers während des Gleitens.

Dieses Problem wird in dem Artikel »Multiscale friction simulation of dry polymer contacts: reaching experimental length scales by coupling molecular dynamics and contact mechanics« durch die Entwicklung und Erprobung eines Multiskalenansatzes für einfache Polymergrenzflächen am Beispiel Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK) erläutert.

Zunächst wird eine unberührte PEEK-PEEK-Grenzfläche modelliert und anschließend Wasser hinzugefügt, um die Wirkung physisorbierter Flüssigkeiten zu analysieren. Ebenso wird eine parametrische Studie zu den Belastungsbedingungen durchgeführt, um die Übertragbarkeit der MD-Reibungsergebnisse auf größere Skalen zu beurteilen. Um die Bereiche zwischen Atomistik und Kontinuum zu überbrücken und den Reibungskoeffizienten in einem makroskopischen System abzuschätzen, werden die MD-Ergebnisse in Kontaktmechaniksimulationen integriert. Schließlich werden Tribometerexperimente durchgeführt, um die Ergebnisse des Multiskalenansatzes zu vergleichen und zu diskutieren. Es kann eine erstaunlich gute Übereinstimmung zwischen Multiskalensimulation und Experiment festgestellt werden. Hierbei kommt es zu zwei verschiedenen Reibregimen: hohe Reibung und deutlicher Verschleiß im trockenen Kontakt und niedrige Reibung schon bei geringen Mengen an Grenzflächenwasser.

 

Die Arbeit ist jüngst bei Tribology Letters veröffentlicht worden:

Savio, D.; Hamann, J.; Romero, P. A.; Klingshirn, C.; Bactavatchalou,R.; Dienwiebel, M.; Moseler, M., Multiscale friction simulation of dry polymer contacts: Reaching experimental length scales by coupling molecular dynamics and contact mechanics, Tribology Letters 69/2 (2021) Art. 70, 16 Seiten Link

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#Supragleitlager für maximale Energieeffizienz und Präzision

28.05.2021

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Abb. 1: Kombiniert man ta-C-Schichten oder Keramiken mit auf diese Werkstoffe abgestimmten Schmierstoffen, so lassen sich in der Grenzreibung Reibungskoeffizienten unter 0,01 erzielen. Diese erst jüngst vom Fraunhofer IWS und Fraunhofer IWM entdeckte und in Nature Communications [1] veröffentlichte Grenzreibungssupraschmierung kann genutzt werden, um Wälzlager und konventionelle Gleitlager durch Supragleitlager zu ersetzen. Damit ließen sich z.B. E-Achsen und Pumpen noch leichter, zuverlässiger, kostengünstiger und nachhaltiger auslegen oder eine ungeahnte Präzision in Positioniersystemen realisieren.

Prof. Dr. Michael Moseler

20% der weltweit erzeugten Energie geht durch Reibung verloren. Durch konsequente Anwendung neuer reibreduzierender Werkstoffe, Oberflächen und Schmierstoffe könnten davon 40% eingespart werden, was einer Reduktion der CO2-Emissionen um mehr als 3 Gt/a entspräche. Zur Reibreduktion werden häufig Wälzlager eingesetzt, da bei Rollbewegungen wenig Reibung entsteht. Allerdings besitzen Wälzlager erhebliche Nachteile z.B. hinsichtlich Kosten, Bauraum, Gewicht, Geräuschentwicklung und Lebensdauer, weshalb häufig bei Konstruktionslösungen auf konventionelle Gleitlager mit deutlich höherer Reibung zurückgegriffen wird. Nun zeigen aber Grundlagenversuche, dass gut aufeinander abgestimmte Material-Schmierstoff-Paarungen extrem niedrige Reibung –»Supraschmierung«– ermöglichen. So haben das Fraunhofer IWS und Fraunhofer IWM in einer Pionierarbeit nachgewiesen, dass diamant-ähnliche Kohlenstoffschichten unter organischer Grenzschmierung superkleine Reib- und Verschleißwerte aufweisen. Mit solchen Tribopaarungen werden Gleitlager denkbar, die in der Energieeffizienz Wälzlager sogar übertreffen können.

Die Fraunhofergesellschaft hat die Wichtigkeit der Supraschmierung erkannt und fördert seit April diesen Jahres innerhalb des PREPARE-Programms das SupraSlide-Verbundprojekt der Fraunhofer-Institute IWM, IKTS, IPA und IWS. Ziel des SupraSlide-Projekts ist die Überführung der Supraschmierung in technische Anwendungen, was eine neue Generation von Gleitlagersystemen ermöglicht. Die einmalige Kombination der wissenschaftlich-technischen Expertise der Institute in den Bereichen Tribologie (IWM, IWS), Multiskalensimulation (IWM), Beschichtungen (IWS, IWM), keramischen Werkstoffen (IKTS) und Graphen (IPA) sowie der Systementwicklung und Produktevaluierung (IPA) soll so gebündelt werden, dass im Vergleich zu konventionellen Gleitlagern mit hohen Reibverlusten eine 90%ige Energieeinsparungen ermöglicht und somit ein wesentlicher Beitrag zur Energiewende geleistet wird. Das Anwendungspotenzial von Supragleitlagern soll dargestellt werden, indem robuste Lösungen für Mobilität, Anlagentechnik, Mechatronik und Robotik realisiert werden.

Durch SupraSlide entsteht eine institutsübergreifende Plattform »Supragleitlager« mit dem Ziel einer gemeinsamen Entwicklungsdienstleistung, die diese neue Generation von Lagern und Dichtungen für industrielle Kunden aus den Bereichen Anlagen- und Maschinenbau, Fahrzeugindustrie, Produktion und Energieerzeugung, Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Medizin bereitstellt. Das beinhaltet sowohl die Entwicklung und Optimierung von Komponenten und Systemen als auch die Auslegung mittels Simulation, tribometrischer Testung und Analyse mit und für Kunden. Des Weiteren erlaubt das im Projekt generierte tiefere Verständnis der tribologischen Eigenschaften von keramischen Komponenten und Schichten auch neue Lösungen in anderen Bereichen z. B. des Maschinen- und Anlagenbaus jenseits von Gleitlagern und Dichtungen.

 

[1] Long, Y.; Kuwahara, T.; De Barros Bouchet, M.-I.; Ristić, A.; Dörr, N.; Lubrecht, T.; Dupuy, L.; Moras, G.; Martin, J.M.; Moseler, M., In situ synthesis of graphene nitride nanolayers on glycerol-lubricated Si3N4 for superlubricity applications, ACS Applied Nano Materials 4/3 (2021) 2721-2732 Link

[2] Kuwahara, T.; Romero, P.A.; Makowski, S.; Weihnacht, V.; Moras, G.; Moseler, M., Mechano-chemical decomposition of organic friction modifiers with multiple reactive centres induces superlubricity of ta-C, Nature Communications 10 (2019) Art. 151,11 Seiten Link

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#Rückblick auf unser Webinar zum Thema »Polymertribologie« am 24. März 2021

07.05.2021

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Abb. 1: Ausschnitt aus dem Austausch mit dem »Conceptborad«.

Dr. Bernadette Schlüter, Dr. Christof Koplin, Dr. Raimund Jaeger

Aktuell sind persönliche Treffen, Konferenzen oder Symposien »in Präsenz« kaum möglich. Webinare bieten die Möglichkeit, den Kontakt zu Kunden, Projektpartnern oder an Tribologie Interessierten zumindest »online« zu halten.

Das MikroTribologie Centrum bietet daher eine Reihe von Webinaren zu seinen Forschungsthemen an. Der Veranstaltung zur Polymertribologie folgt ein Webinar zur Keramiktribologie im Mai. Das erste Webinar der Reihe wurde von der Gruppe »Polymertribologie und Biomedizinische Materialien« gestaltet. Zu Beginn wurde das µTC als Kooperation des Fraunhofer IWM und des KIT und seinen Möglichkeiten der Zusammenarbeit vorstellt. Einleitend wurde die komplexe Thematik der Polymertribologie erst grundlegend vorgestellt, um Teilnehmerinnen und Teilnehmer bei ihrem spezifischen Wissensstand abzuholen: Was ist ein tribologisches System, welche Reibungs- und Verschleißphänomene gibt es und welche Einflussfaktoren bestimmen das tribologische Verhalten, besonders bei Polymeren? Im weiteren Verlauf des Webinars wurden die Besonderheiten und Unterschiede von Thermoplasten und Elastomeren im Reibkontakt herausgearbeitet und konkrete Beispiele des Einflusses der Reibwärme, der Rauheiten der Stahlscheibe, von diversen Füllstoffen und des Auftretens von Polymerübertrag skizziert. Zudem wurde die Interaktionsneigung in geschmierten Systemen thematisiert. Zur Erweiterung des Modellverständnisses können bei Thermoplasten und Elastomeren Eingriffssituationen mit Bezug auf Temperatur und Kontaktfläche simulativ beschrieben werden. Speziell bei Thermoplasten kann die Spritzgusshaut, bei Elastomeren der Dehnungszustand und die damit einhergehende Ermüdung betrachtet werden. Die numerische Simulation stellt somit eine nützliche und notwendige Ergänzung zum Verständnis der komplexen Systeme dar. Polymertribologie – da waren sich alle am Webinar Beteiligten einig – ist ein komplexes, aber auch faszinierendes Gebiet, das viele Fragen aufwirft und Möglichkeiten zur Diskussion bietet. Anhand von zwei konkreten Beispielen (Reifenelastomere und Arbeitssicherheitsschuhe) wurde zum Ende der Präsentation gezeigt, wie grundlegende als auch angewandte Fragestellungen am µTC konkret in Projekten bearbeitet werden.

Für die anschließende Fragerunde und Diskussion wurde das Kollaborationstool »Conceptboard« genutzt. Das Fazit der Teilnehmer und Teilnehmerinnen war sehr positiv: Diese Art der Kommunikation wurde als eine Bereicherung angesehen und kann in zukünftigen Diskussionen und Kooperationen weiterentwickelt werden.

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