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Schichthaftungsmessung von dünnen Goldschichten auf Polymersubstraten für Biosensoren

openBIS: Unser Ansatz zur Generierung von FAIR Data

Einflüsse auf das HT-Verschleißverhalten einer Kobalt-Materialpaarung

Neues Projekt zur Problematik des Reifenabriebs

Schmierstoffanalysen aus einer Hand

Running-In of DLC–Third Body or Transfer Film Formation

GearOil-LOOP – Kreislauffähige Getriebeöle

Supraschmierung oder der Weg zu Reibungskoeffizienten kleiner als 0,01

Verbesserung der Leistung von Schmierfetten durch die Entwicklung von Graphenoxid-funktionalisierten Polyurea-Verdickern

Aktive Reibungssteuerung durch elektrische Impulse und ionische Flüssigkeiten

Dünnschichtsensoren für Rolle-zu-Rolle-Prozesse – »InKraftSens« 

Blechumformung reagiert auf Licht

Schwerlastprüfstand bis 245 kN Prüfkraft zur hochaufgelösten Verschleißmessung an rotierenden Bauteilen

Big Data in der Tribologie für Schmierstoff- und Additiventwicklung

Viskositätsverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Druck

Ist die Beschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC, diamond-like carbon) von nicht leitfähigen Werkstoffen im reinen PECVD Verfahren unmöglich? Absolut nicht!

Prüfmethodenentwicklung für die Hochtemperaturtribologie in Abgas

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Alexander Fromm

Die steigende Nachfrage nach hochsensitiven, aber kostengünstigen, optischen Sensoren in der Biodiagnostik erfordert die vermehrte Applikation immer dünnerer Metallbeschichtungen auf optischen Gläsern und zunehmend auf optischen Kunststoffen wie COC. Bei der Detektion fluoreszierender Moleküle auf Basis von oberflächenplasmonischen Effekten kommt es jedoch bei der Verwendung gängiger Haftvermittlerschichten wie Titan zu signifikanten Verlusten in der Messsignalintensität. In einer Forschungskollaboration mit dem Institut für Mikrointegration der Universität Stuttgart wurden deshalb Untersuchungen zur Haftung ultradünner Goldschichten auf Polymer- und Glassubstraten durchgeführt. Ein Ziel war es zu prüfen, ob durch eine Plasmavorbehandlung des Substrats eine ausreichende Schichthaftung und -beständigkeit auch ohne die Verwendung einer Titan-Haftschicht erreicht werden kann. Die Messung der Schichthaftung stellte sich dabei als große Herausforderung dar. Gründe sind die geringe Schichtdicke sowie die hohe Duktilität der Goldschichten.

Die Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« des MikroTribologie Centrums µTC unterstützte die Forschungsarbeiten und brachte die Methode des Nano-Scratch-Tests mit ein. An den nur 50 nm dünnen Goldschichten wurden Scratches mit extrem geringen, linear ansteigenden Lasten von 100 nN bis 10 mN durchgeführt, teilweise mit einer Überlagerung einer sinusoidalen Schwingung senkrecht zur Ritzrichtung. Der Radius der Diamantspitze betrug dabei lediglich 5 µm. Die ritzinduzierten Schichtschädigungen konnten dabei in-situ lichtmikroskopisch beobachtet werden. Zur Aufklärung der Schadensmechanismen wurden die Scratches zusätzlich mit Elektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgen­spektroskopie (EDX) charakterisiert. Auf diese Weise war es möglich, den Einfluss von Plasmabehandlungsschritten auf die Schichthaftung mit dem Einfluss von Titan-Haftschichten zu vergleichen. Außerdem konnte die Wirkung von Temperaturwechseltests auf die Schicht­be­ständigkeit bewertet werden. Die Ergebnisse der Scratch-Tests waren gut mit Ergebnissen aus Gitterschnitttests der Universität Stuttgart vergleichbar bzw. ergänzten diese.

Die Ergebnisse der Zusammenarbeit wurden unter dem Titel »Evaluation of the Adhesion Strength of Ultrathin Gold Coatings on Substrates of Soda-Lime Glass and Cyclo-Olefin-Polymer by Cross-Cut and Scratch Tests under the Influence of a Thermal Shock Test for Use in Biosensors« als Open Access Artikel publiziert. 

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Wer heute in fünf Jahren auf einen reichhaltigen Informationsschatz zurückblicken möchte, der KI und ML FAIR´er Daten ermöglicht, sollte sicherstellen, dass bereits jetzt Versuchsplanung, -dokumentation und -auswertung das erlauben. Wir nutzen hierzu die Plattform openBIS, mit der Versuche angelegt, Proben katalogisiert, Messabläufe dokumentiert und Daten maschinell aufbereitet werden. Darüber hinaus zapfen wir eine Datenbank an, in der Labortemperatur und -feuchte gespeichert werden. Diese Informationen sind unerlässlich, wenn zum Beispiel Öl- und Additivtests bezüglich Reibung und Verschleiß korrekt ausgewertet werden sollen. Die Auswertungen selbst sowie die Visualisierungen erfolgen auf Jupyter Notebooks mittels Python. Neben reinen Datenkolonnen werden auch Mikroskopiebilder und Spektren (z.B. XPS oder FTIR) maschinenlesbar abgelegt, um eine Datenverarbeitung nach den FAIR-Prinzipien (findable, accessible, interoperable, reusable) zu gewährleisten.

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Tobias König

In der Studie Influencing factors on high temperature tribology werden der Einfluss der Temperatur, Normalkraft, Reversierstrecke, Frequenz und Gleitweg auf das tribologische Materialverhalten einer ungeschmierten Kobalt-Werkstoffpaarung sowie die Auswirkungen eines Atmosphärenwechsels von Umgebungsluft zu einer sauerstoffarmen CO₂/N₂/O₂-Atmosphäre untersucht. Die anschließende Identifizierung von empirischen Verschleißkorrelationen soll eine Übertragung auf andere Werkstoffsysteme ermöglichen. Reversierende Verschleißversuche wurden bei bis zu 800 °C mit einer Zylinder-Platten-Kontaktgeometrie durchgeführt. Die Versuchsbedingungen sowie die Werkstoffe orientieren sich an der Anwendung als Gleitlager in Abgasklappen von Verbrennungsmotoren.

Die Temperatur hat einen signifikanten Einfluss auf das Verschleißverhalten, da sie den Wechsel der tribologischen Mechanismen von Abrasion zu Oxidation und Adhäsion von Verschleißpartikeln bis hin zur Bildung eines Glazelayers im HT-Bereich induziert. Die Verschleißpartikel, die für den tribologisch induzierten Sinterprozess des Glazelayers benötigt werden, liegen bereits bei niedrigen Temperaturen von 200 °C in vollständig oxidierter Form vor. Die Bildung eines verschleißmindernden Glazelayers ist daher hauptsächlich von der Temperatur abhängig, da diese den Sinterprozess direkt beeinflusst, so eine zentrale Erkenntnis dieser Arbeit. Der atmosphärische Einfluss auf das tribologische Werkstoffverhalten ist abhängig vom temperaturbedingten Verschleißregime. Bei niedrigeren Temperaturen findet in der sauerstoffreduzierten CO₂/N₂/O₂-Atmosphäre ein Mechanismenwechsel von Abrasion zu Adhäsion statt. Im Gegensatz dazu wird die Bildung des Glazelayers durch den Wechsel der Atmosphäre nicht beeinflusst.

_{König, T.; Wolf, E.; Daum, P.; Kürten, D.; Kailer, A.; Dienwiebel, M., Influencing factors on high temperature tribology, Wear 566-567 (2025) Art. 205758, 16 Seiten Link}

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Dr. Christof Koplin

Der durch den täglichen Verkehr anfallende Reifenabrieb und dessen Zerfallsprodukte stellen eine große Belastung für Mensch und Umwelt dar. Mit der Euro-7-Norm werden erstmals feinstaubbezogene Grenzwerte für Reifenabrieb eingeführt, die von der Wirtschaft fordern, diesen deutlich zu reduzieren und um­weltverträglicher zu gestalten. Existierende Prüfmethoden fokussieren jedoch nur auf die mengenmäßige Verschleißbeständigkeit von Reifen. Form, Größenverteilung und deren Einfluss auf die Degradationsprozesse der Partikel in der Umwelt und ihre Toxi­kologie werden nicht berücksichtigt. Um diese regulatorisch bedingt absehbare Markt­lücke durch Vorlaufforschung zu schließen, starten die Fraunhofer-Institute LBF, IWM (MikroTribologie Centrum µTC), IGD und ICT im April eine gemeinsame Vorlaufforschung.

Entwickelt wird eine Technologieplattform zur standardisierbaren, labormäßigen Erzeugung realitätsnahen Gummiabriebs, dessen Analyse für Material- und Reifen­ent­wicklungen und die Prognose für die digitalisierte Fahranalyse. Die Erzeugung erfolgt mit Vollgummirädern in einem Prüfstand durch geregeltes Aufbringen mechanischer und thermischer Lasten. Eine optische Inline-Sensorik soll die Reiboberflächen optisch erfassen, KI-gestützt auswerten und aus vorliegenden Strukturen die Partikelverteilung vorhersagen. Erforderlich hierzu sind die Entwicklung einer parametrischen Reib­fläche und die Erzeugung realer Referenzpartikel. Die Degradation des erzeugten rea­lis­ti­schen Abriebs wird mit neuen Techniken der Labor­bewitterung und chemischen Ana­ly­sen untersucht. Die Ergebnisse werden für ökotoxikologische Bewertungen genutzt und auch in Fahrzeugflottensimulationen überführt.

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Beim MikroTribologie Centrum µTC bieten wir ein umfassendes und stark erweitertes Angebot an Analysemöglichkeiten für Schmierstoffe an. Unsere chemischen Untersuchungen umfassen unter anderem Festkörper-NMR, NMR-Spektroskopie, DMA, DSC, TGA, GPC, FTIR und GC-MS. Ergänzt wird dies durch eine präzise mechanische Charakterisierung mit mehr als 50 Tribometern, von denen viele eine kontinuierliche Reibungs- und Verschleißmessung ermöglichen. Detaillierte Strukturanalysen mittels FIB und TEM liefern tiefgehende Einblicke, während atomistische Simulationen gezielt zur Untersuchung der Tribochemie beitragen. Diese Methoden ermöglichen nicht nur eine umfassende Analyse von Schmierstoffen, sondern auch deren gezielte Weiterentwicklung. Dabei können wir Tests sowohl vor als auch nach tribologischer Beanspruchung durchführen – und sogar während des Testlaufs. So schaffen wir die Grundlage für belastbare Erkenntnisse und innovative Lösungen in der Schmierstofftechnologie.

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Joachim Faller und Prof. Dr. Matthias Scherge

Amorphe Kohlenstoffschichten sind aufgrund ihrer guten Reibungs- und Verschleißeigenschaften weit verbreitet. Ein detailliertes Verständnis ihres Verhaltens während des Einlaufs, abgesehen von Untersuchungen an Modell-Tribosystemen, wurde bisher noch nicht gewonnen.

Es wurden mehrere Analysemethoden eingesetzt, um die physikalischen und chemischen Veränderungen einer ta-C-Schicht und ihres thermisch gespritzten, metallischen Gegenkörpers nach einem Einlaufvorgang im Pin-on-Disk-Tribometer zu ermitteln. Beide Beschichtungen wiesen Veränderungen in ihrer Oberfläche und oberflächennahen Chemie auf. Die Mechanismen in und auf der Eisenspritzschicht wurden als eine Mischung aus drittem Körper, mit der Bildung von Gradienten in der Mikrostruktur und Chemie, und einer zusätzlichen kohlenstoffreichen Tribofilmbildung auf der Oberfläche identifiziert. Die chemischen Veränderungen der ta-C-Beschichtung mit sp2-Anreicherung und Einschlüssen von Schmierstoffelementen erwiesen sich als zu komplex, um sie entweder der Tribofilm- oder der Drittkörperbildung zuzuordnen.

_{Faller, J.; Scherge, M., Running-In of DLC-third body or transfer film formation, Lubricants 12/9 (2024) Art. 314, 11 Seiten Link}

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Neues Verbundforschungsprojekt zu Recyclingprozessen für Schmierstoffe und zu wiederverwendbaren Getriebeölen 

Dr. Andreas Kailer

In der EU werden jährlich mehr als 4 Millionen Tonnen Schmierstoffe hergestellt und verbraucht. Der größte Teil dieser Schmierstoffe wird aus fossilen Rohstoffen gewonnen. Der Anteil biobasierter Schmierstoffe ist sehr gering, da diese noch nicht die Leistungsfähigkeit ihrer fossilen Pendants erreichen oder teuer sind. In der Rückgewinnung von hochwertigen Grundstoffen aus Altöl liegt ein enormes Potenzial zur Vermeidung von CO₂-Emissionen. Für entsprechende Stoffkreisläufe entwickelt ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen wirksame Recyclingtechnologien.

40% des Altöls aus Industrieprozessen kann heute wieder zu Grundölen verarbeitet werden. Die technologischen Prozesse dafür sind jedoch nicht differenziert genug, um die für Hochleistungsschmierstoffe wertvollen Grundstoffe aus Altöl zurückzugewinnen und daraus neue langlebige Schmierstoffe herzustellen. Derzeit verbreitete Recyclingtechnologien sind daher auf niedrigviskose Öle begrenzt. Der Bedarf bei Schmierstoffherstellern und deren Grundstofflieferanten, höherviskose Getriebeöle weiter zu nutzen, ist groß, da dort enorme Potenziale zur CO₂- und Kostenreduktion liegen. Auch in Technologiebereichen wie Windkraft oder Mobilität ist das Interesse an nachhaltigen Schmierungslösungen groß.

Das Verbundforschungsvorhaben aus drei Forschungsinstituten und sechs Industriepartnern zielt auf eine wirtschaftliche und innovative Kreislaufwirtschaft für hochwertige Schmierstoffe. Im Projekt GearOil-Loop möchte das Konsortium einen Recyclingprozess sowie ein speziell für Kreislauffähigkeit geeignetes Getriebeöl entwickeln, das mindestens 50 Prozent rezykliertes Basisöl enthält. Damit soll demonstriert werden, wie ein industriell und wirtschaftlich umsetzbarer Recyclingprozess funktioniert. Anspruchsvoll ist dieses Ziel nicht zuletzt deshalb, weil gleichzeitig ein recyclingfähiges Getriebeöl und der Recyclingprozess entwickelt und erprobt werden. Dieser doppelte Entwicklungsstrang erfordert eine intensive Zusammenarbeit aller Partner entlang der Entwicklungs- und Wertschöpfungskette.

Wichtige Stationen sind neben der Schmierstoffentwicklung und dem Schmierstoffrecycling Überprüfungsmöglichkeiten zum Einsatzverhalten der Schmierstoffe in Getrieben und Lagern sowie grundlegende Untersuchungen zum Reibungs- und Verschleißverhalten, mit denen bestätigt werden soll, dass die entwickelten Schmierstoffe in ihrer Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit mit herkömmlichen, d.h. nicht recycelten Getriebeölen, mithalten können. Bewertet wird auch die Nachhaltigkeit des Kreislaufkonzepts, wobei Ausgangsstoffe, Herstellungs- und Recyclingprozesse und das Einsatzverhalten der Schmierstoffe berücksichtigt werden.

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Dr. Gianpietro Moras

Kombiniert man ta-C-Schichten oder spezielle Keramiken mit darauf abgestimmten Schmierstoffen, lassen sich Reibungskoeffizienten unter 0,01 in der Grenzreibung erzielen. Dieser bemerkenswerte Effekt ist auf die mechanochemische Bildung nanoskaliger, extrem gleitfähiger Oberflächenstrukturen zurückzuführen. Diese Grenzreibungssupraschmierung, kürzlich vom Fraunhofer IWS und Fraunhofer IWM entdeckt und in Nature Communications veröffentlicht, eröffnet neue Möglichkeiten: Wälzlager und konventionelle Gleitlager könnten durch Supragleitlager ersetzt werden. Dies würde die Gestaltung von E-Achsen und Pumpen erheblich erleichtern und zugleich deren Zuverlässigkeit, Kosten- und Ressourceneffizienz steigern. Zudem könnte eine nie dagewesene Präzision in Positioniersystemen realisiert werden.

Weitere vielversprechende supraschmierende Systeme, wie etwa Keramiken, Diamant und Graphen in Kombination mit wasserbasierten Schmierstoffen, sollen im Projekt SupraSlide zu einem modularen Baukasten für Supragleitlager weiterentwickelt werden. Ziel ist es, damit eine Energieersparnis von bis zu 90% zu ermöglichen.

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Dr. Felix Gatti

Im Mai dieses Jahres wurde die Dissertation mit dem Titel »Programmierbare Reibung – Entwicklung von stimuli-responsiven Tribosystemen auf Basis ionischer Flüssigkeitsgemische« erfolgreich verteidigt.

Die Arbeit widmet sich der aktiven Steuerung und Programmierung der Reibung in tribologischen Systemen mithilfe elektrischer Impulse und ionischer Flüssigkeiten (ILs) sowie deren Mischungen (ILMs). Ziel ist es, tribologische Systeme so zu betreiben, dass sie effizienter und nachhaltiger auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung reagieren können. Im Zentrum der Untersuchung steht, wie elektrische Ladungen an Metalloberflächen die molekulare Anordnung der Ionen beeinflussen und sich die Reibung aktiv steuern und sogar programmieren lässt. Die Versuche zeigen, dass ILMs – im Vergleich zu reinen ILs – höhere Reibwertveränderungen und stabilere Adsorptionsschichten ermöglichen. Bei Anwendung eines elektrischen Potentials lassen sich mit ILMs Reibwertänderungen von bis zu +140 Prozent (anodisches Potential) und −45 Prozent (kathodisches Potential) erzielen, wobei bei der Reduzierung des Reibwerts mehr Energie eingespart wird, als für die elektrische Steuerung benötigt wird.

Zusätzlich wurde das tribologische System mit einem Tribo-Regler gekoppelt, mit dem es möglich wurde, voreingestellte Reibwerte automatisch anzupassen. Dabei konnten reversible Reibwertänderungen von bis zu ±230 Prozent realisiert werden. Die Erkenntnisse ebnen den Weg für die technische Nutzung von ILMs, welche im Hinblick auf die Programmierbare Reibung in dieser Arbeit erfolgreich in Verbindung mit herkömmlichen Ölen und in Kugellagern getestet wurden. Damit leistet diese Arbeit einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der »Programmierbaren Reibung« – ein Konzept, das tribologischen Systemen die Fähigkeit verleiht, sich selbstständig an veränderte Bedingungen anzupassen.

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Alexander Fromm

Die Herstellung und prozesssichere Verarbeitung flexibler Materialien erfordert eine gute Homogenität der Bahnkraftverteilung beim innermaschinellen Transport. Herstellungsbedingte Planlageabweichungen und Dickentoleranzen, Bahnfehler wie Falten, Stippen oder Risse, aber auch verarbeitungsinduzierte Schwankungen müssen dafür weitestgehend vermieden werden. Um diesbezüglich kontrolliert und früh genug gegensteuern zu können, müssen Abweichungen schnell und sicher lokalisiert werden können.

Am MikroTribologie Centrum µTC und dem Fraunhofer IVV in Dresden ist zum 01. Oktober 2024 ein IGF-Projekt gestartet, in dem eine neue Messmethode erarbeitet werden soll, die sich die Wechselwirkung zwischen der Bahnkraft, dem Kontakt der Bahn zur Führungsrolle und dem resultierenden Wärmeabfluss aus der Folie zunutze macht. Mittels Dünnschichttechnologie sollen Bahnlaufelemente mit Temperatursensorarrays und tribologisch angepassten Oberflächen ausgerüstet werden (siehe Abbildung). Das Messelement wird dann so temperiert, dass das Folienmaterial im Kontakt nicht signifikant beeinflusst wird, der Wärmeabfluss mithilfe der Temperatursensoren aber detailliert erfasst werden kann. Die hochaufgelösten, echtzeitnahen Messdaten sollen dann ein Maß für die Bahnkraft liefern und sind die Voraussetzung für eine künftige Inlineregelung der Bahnkraftverteilung bzw. der Verarbeitungsparameter. Qualitätsverluste, Ausschuss und Stillstände sollen damit zukünftig weitestgehend vermieden werden.

Bei erfolgreichem Proof-of-Concept soll das Verfahren bei der Auf-, Ab- und Umwicklung bzw. Herstellung und Verarbeitung bahnförmiger Produkte, wie Folien oder Papiere für technische Güter, bei der Verpackung von Lebensmittel-, Pharma-, Medizin- und Kosmetikprodukten, bei der Behandlung (Beschichtung, etc.) von flexiblen Materialien u.v.m. eingesetzt werden.

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Dr. Dominic Linsler

Blechumformung durch Tiefziehen ist einer der wichtigsten Umformprozesse in der Industrie, der vor allem in der Großserienproduktion wegen der geringen laufenden Kosten eingesetzt wird. Durch höhere Anforderungen an Umformprodukte und kleinere Losgrößen kommt einer kontrollierten Prozessführung eine immer größere Bedeutung zu. Diese kontrollierte Pro­zess­führung kann durch eine aktive Beeinflussung der Reibung zwischen Blech und Werk­zeug deutlich verbessert werden, weil das Umformergebnis in mehrerlei Hinsicht (Falten, Riss­bildung, Rückfederung) vom Materialfluss abhängig ist.

Im Rahmen des Ideenwettbewerbs zur Biologisierung der Technik und des Fraunhofer-internen Forschungsclusters »Programmierbare Materialien« konnte die grundsätzliche Funktion der Herangehensweise demonstriert werden, mit der die Reibung auf dem Blech aktiv kontrolliert werden kann: Ein Schmierstoff wurde derart chemisch verändert, dass durch die Bestrahlung mit UV-Licht eine Vis­kosi­täts­erhöhung erfolgte, die eine signifikante Abnahme der Ziehkraft in der Streifenzugmaschine und im Näpfchenzugversuch be­wirk­te. Interessant an diesem Ansatz ist, dass die Viskositätserhöhung zum einen reversibel ist und zum anderen auch lokal auf dem Blech gesteuert werden kann. Dadurch ergeben sich neben der Steuerung der Reibung auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Ablaufhemmung oder der Blechabreinigung. Das Verfahrenspatent zum Einsatz des viskositätsschaltbaren Schmierstoffs wurde am 29. Februar 2024 offengelegt (DE 10 2022 122 012 A1).

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Für tribologische Systeme, die hohen Kräften ausgesetzt sind, steht am MikroTribologie Centrum µTC ein Schwerlastprüfstand für rotierende Bauteile zur Verfügung. Der Prüfstand deckt einen Kraftbereich von 100 N bis 245 kN in Druck- und in Zugrichtung bei einem Drehzahlbereich von 1 bis 5.000 Umdrehungen pro Minute ab. Auch reversierende Winkelbewegungen ab 1° sind möglich.

Damit ist der Prüfstand für Versuche an Bauteilen aus Großmotoren und Anwendungen in den Bereichen Windkraft, Marine und Wasserkraft interessant. Adaptierungen für Ventiltriebsuntersuchugen sind möglich.

Die Besonderheit des Prüfstands ist neben dem hohen Last- und Drehzahlbereich die Verknüpfung mit hoch aufgelöster Echtzeitverschleißmessung.

Zurzeit wird der Prüfstand zur Charakterisierung von Verschleißeigenschaften an neuartigen Gleitlagern genutzt. Auch für den hydrodynamischen Betrieb ausgelegte Gleitlager geraten in verschiedenen Betriebssituationen wie Anfahren und Auslaufen oder bei Mangelschmierung in den Mischreibungsbereich, in dem Verschleißfragen relevant werden. Verschleißuntersuchungen an Gleitlagern sind für Fragestellungen zur Ölalterung und -verschmutzung genauso nötig wie zur Freigabe von verschiedenen Ölen.

Hochaufgelöste Verschleißmessung mit Radionuklidtechnik (RNT)

Ein Großteil der Anwendungen im Maschinenbau benötigt für die geforderte Lebensdauer Verschleißraten im Bereich weniger Nanometer pro Stunde, die sich topographisch kaum abbilden lassen. Dabei kommt erschwerend hinzu, dass sich die Verschleißrate auch unabhängig von der Belastung über die Versuchszeit ändert. Hier bietet die Radionuklidtechnik entscheidende Vorteile, denn sie ermöglicht die hochaufgelöste Verschleißmessung in der Größenordnung weniger Nanometer pro Stunde in Echtzeit während des Versuchs und ermöglicht damit die Identifizierung stationärer Zustände, d.h. konstanter Verschleißraten, die eine zuverlässige Extrapolation des Verschleißes über die Lebensdauer zulassen.

Am Schwerlastprüfstand ist die Erstellung prüflingsspezifischer Programme, die den Anwendungseinsatz abbilden, möglich. In Kombination mit der Radionuklidtechnik können wir daher effizient den Einfluss unterschiedlicher tribologischer Belastungen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten abbilden.

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Die Tribologie ist ein zentrales Thema in der Schmierstoff- und Additiventwicklung. Immer komplexere Anforderungen an Materialien und Schmierstoffe erfordern eine immer tiefere Kenntnis der tribologischen Mechanismen. Hierbei spielt die Auswertung großer Datenmengen, sogenannter »Big Data«, eine immer wichtigere Rolle.

Um die tribologischen Eigenschaften von Schmierstoffen und Additiven zu untersuchen, wurden am MikroTribologie Centrum µTC 16 baugleiche Tribometer für Reibungs- und Verschleißmessungen eingesetzt (µTC Tribometerfarm). Mit den Messungen wurden Hochdurchsatz-Screenings durchgeführt, um eine möglichst hohe Anzahl an Datenpunkten zu generieren. Die Messwerte wurden dabei inklusive der Raumtemperatur und -feuchte erfasst und in einer Datenbank gespeichert.

Die Analyse dieser großen Datenmengen bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Optimierung der tribologischen Eigenschaften. Mit Hilfe von statistischen Methoden können Korrelationen zwischen verschiedenen Parametern identifiziert werden, die eine wichtige Grundlage für die weitere Optimierung darstellen.

Um die Datenverarbeitung weiter zu optimieren, erfolgte die Anbindung an ein OpenBIS System (elektronisches Laborbuch). Dadurch können die Daten noch effizienter ausgewertet und sichergestellt werden, dass auch in 10 Jahren alle Informationen abrufbar sind.

Insgesamt zeigt sich, dass die Verwendung von Big Data in der Tribologie ein bedeutender Schritt in Richtung einer optimierten Materialentwicklung darstellt. Wir entwickeln unsere Messtechnik stetig weiter und freuen uns über Ihre Anfragen!

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Lars Kruse

In unserer jüngsten Veröffentlichung [1] haben wir das Viskositätsverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Druck für das 4 cSt Polyalphaolefin Öl (PAO4) mit drei verschiedenen Gleichgewichts-Molekulardynamik-Methoden analysiert.

Wir konnten zeigen, dass für hochviskose Systeme eine Viskositätsberechnung über die Stokes-Einstein-Gleichung, kombiniert mit der Ermittlung des Diffusionskoeffizienten aus der Geschwindigkeits-Autokorrelationsfunktion, am besten geeignet ist.

Aufgrund der Bedeutung der Viskositätsvorhersage unter schmierungsrelevanten Bedingungen wurde unsere Arbeit in der neuesten Ausgabe (Juli 2024, Seite 76) von Tribology & Lubrication Technology (TLT) als »Best from STLE’s research community (Editors Selections)« ausgewählt. 

_{[1] Kruse, L. B.; Falk, K.; Moseler, M., Calculating high-pressure PAO4 viscosity with equilibrium molecular dynamics simulations, Tribology Letters 72 (2024) Art. 40, 15 Seiten Link}

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Stefan Schnakenberg

Die Beschichtung von nicht leitfähigen Materialien wie Keramiken, Glas und Kunststoffen im PECVD Verfahren (plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung) ist verfahrensbedingt anspruchsvoll. Nichtleitfähige Materialien können das elektrische Feld nicht effektiv leiten, was zu einer ungleichmäßigen oder fehlenden Beschichtung führt.

Bei der Verwendung von gepulster Gleichspannung zur Anregung des Plasmas gehen die Möglichkeiten zur erfolgreichen Applizierung einer DLC-Beschichtung gegen Null. Anders bei einer Hochfrequenzanregung des Plasmas. Doch auch hiermit lassen sich bestenfalls dünne Substrate durch die Möglichkeit der kapazitiven Kopplung beschichten. Will man jedoch Bauteile beschichten, die aufgrund ihrer Dimensionierung eine kapazitive Kopplung nicht zulassen, z.B. einen Rundstab oder Kegel, so funktioniert dieser Ansatz nicht mehr ohne Weiteres.

Die Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« konnte zeigen, dass über ein Remote-Plasma mit Hilfe einer flexibel gestaltbaren Hilfselektrode, die sich an unterschiedlichste Bauteilgeometrien anpassen lässt, eine DLC-Beschichtung nichtleitender Werkstoffe mit wenig Aufwand möglich ist. Eine selektive Beschichtung der Bauteiloberfläche ist mit dem Verfahren ebenso realisierbar.

Auf herkömmliche Ansätze – wie zum Beilspiel das Sputtern einer dünnen Metallschicht (z.B. Chrom, Titan) oder das Aufdampfen von leitfähigen Materialien zur Erhöhung der Leitfähigkeit – kann somit verzichtet werden. Das zu beschichtete Bauteil bleibt in Gänze ein Nichtleiter.

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Tobias König

Durch gestiegene Umwelt- und Effizienzanforderungen steigt die Komplexität heutiger Verbrennungsmotoren. Mehrstufige Aufladungen und Abgasnachbehandlungen erfordern mehrere Klappensysteme und Aktuatoren. Die ungeschmierten Lagerstellen dieser Abgasklappen unterliegen hohem Verschleiß durch thermische Belastungen und Abgasatmosphäre und gelten als kritische Tribosysteme mit hoher Ausfallwahrscheinlichkeit und geringer Lebensdauer. Am MikroTribologie Centrum µTC wurde daher eine Qualifizierungsmethode für solche Tribosysteme entwickelt, die die Entwicklungszeit geeigneter Materialsysteme reduziert und auch für KMUs eine einfache Prüfung ermöglicht.

Bisher erfolgte die tribologische Charakterisierung dieser Lagerungen durch aufwendige Vollmotorversuche, was die Weiterentwicklung der Werkstoffsysteme bremste und Zulieferer abhängig machte. Das MikroTribologie Centrum µTC entwickelte eine zeit- und kosteneffiziente Qualifizierungsmethode für abgasbeaufschlagte Tribosysteme. Diese Strategie besteht aus zwei Versuchsmethoden: einem linear reversierenden Gleitversuch und einem neuen Prüfaufbau für Wellen-Buchsen-Kontakte. Beide Methoden wurden durch den Vergleich mit verschlissenen Komponenten aus Feldversuchen validiert.

Innerhalb des Forschungsprojektes wurden sechs Materialpaarungen analysiert. Der Wellen-Buchsen-Versuch zeigte eine gute Übereinstimmung der Verschleißmechanismen mit den Feldbauteilen, während der Modellversuch nur teilweise vergleichbare Mechanismen identifizierte. Die Methoden sind zum schnellen Werkstoffscreening geeignet. Zudem wurde der Einfluss der Abgasatmosphäre auf die tribologischen Mechanismen untersucht, ohne allgemeingültigen Zusammenhang. Es ist daher notwendig, neue Werkstoffe gezielt in Abgasatmosphäre zu testen, wozu die neue Qualifizierungsmethode eingesetzt werden kann.

_{König, T.; Kimpel, T.; Kürten, D.; Kailer, A.; Dienwiebel, M., Influence of atmospheres on the friction and wear of cast iron against chromium plated steel at high temperatures, Wear 522 (2023) Art. 204695, 17 Seiten Link}

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