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Rückblick auf unser Webinar zum Thema »Polymertribologie« am 24. März 2021
Untersuchung der Abrasionsbeanspruchung durch Schüttgüter in Experiment und Simulation
Webinar: Keramische Werkstoffe in tribologischen Anwendungen
Reibverhalten von Elastomeren im Ring-Scheibe-Tribometer
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.
Dr. Andreas Kailer, Dr. Claas Bierwisch
Abrasionsbeständigkeit ist in vielen Bereichen eine grundlegende Anforderung an Komponenten und deren Oberflächen. In der Industrie sind Prozesse, in denen Pulver oder partikelhaltige Medien befördert oder verarbeitet werden, allgegenwärtig. Hier müssen Werkstoffe und Oberflächen verglichen und optimiert werden, die gegen Abrasion und Abrasionsbeanspruchung möglichst beständig sind. Häufig sind jedoch auch korrosive Einflüsse mit zu betrachten, z.B. wenn die Partikel oder die flüssigen Medien, in denen diese befördert werden, chemisch sehr reaktiv sind.
Experimentelle Methoden, wie der genormte Abrasionsversuch (ASTM G65), werden eingesetzt, um das Abrasionsverhalten zu quantifizieren. Je nach Zielanwendung werden allerdings Abweichungen von dieser Norm relevant, um möglichst anwendungsnahe Abrasionsbeanspruchungen zu simulieren – z.B. durch Nutzung von Wasser-Sand-Gemischen als Abrasionsmedium, Verwendung von Abrasiven mit hoher Härte (Korund) oder Reibrädern aus Stahl.
Äußerst harte und gleichzeitig korrosionsbeständige Werkstoffe sind am besten im Falle harter und korrosiv wirkender Medien geeignet. Allerdings bergen sie auch das Risiko, dass anstatt einer plastischen Verformung durch harte Abrasivkörner eine Oberflächenzerrüttung verursacht wird, die dann wiederum zu starker Schädigung und hohem Verschleiß führt.
Partikelbasierte Simulationen, begleitend zu den experimentellen Untersuchungen, sind ein flexibles Werkzeug, um Abrasionsbeanspruchungen zu bewerten. Die Simulationen sind in der Lage, den partikulären Massenfluss zu beschreiben und einzelne Aufprallereignisse zu erfassen. Mittels experimentell parametrisierter Gleichungen kann aus den kinetischen Details der einzelnen Stöße auf den jeweiligen Materialabtrag geschlossen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können genutzt werden, um den abrasiven Verschleiß durch konstruktive Änderungen oder gezielte Materialsubstitutionen zu minimieren.
Dr. Andreas Kailer
Für tribologische Anwendungen werden keramische Hochleistungswerkstoffe traditionell aufgrund ihrer hohen Verschleißbeständikgeit und Härte eingesetzt. Darüber hinaus sind sie auch bei hohen Temperaturen und in chemisch aggressiven Medien einsetzbar. Jedoch werden tribologische Anwendungen heute weniger hinsichtlich Verschleißbeständigkeit betrachtet und optimiert. Viel wichtiger ist die Verringerung der Reibung geworden, da durch die Verringerung von Reibverlusten Energie eingespart und der mechanische Wirkungsgrad erhöht werden können.
In diesem Webinar werden keramische Werkstoffe im Hinblick auf die aktuellen tribologischen Leitziele betrachtet. Die resultierenden generellen Anforderungen an keramische Werkstoffe aus heutiger Sicht werden erörtert, und es werden Ergebnisse eigener aktueller Arbeiten sowie einige publizierte Ergebnisse dargestellt, die die Möglichkeiten zur Reibungssenkung mit keramischen Werkstoffen – bis hin zu Supraschmierung (Reibungskoeffizienten <0,01) – aufzeigen. Für keramische Werkstoffe ergeben sich daraus neue Perspektiven für aktuelle Anwendungen und zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.
Anmeldungen bitte an: thi.bach.hue.quan@iwm.fraunhofer.de
Prof. Dr. Matthias Scherge, Melissa Stoll, Prof. Dr. Michael Moseler
Das Gleitverhalten von Skiern wird hauptsächlich von der Fähigkeit des Skibelags beeinflusst, die Kapillarkräfte und die Kontaktfläche zu minimieren. Während die erste Bedingung von der Hydrophobie abhängt, wird die zweite durch die Skischliffstruktur und die Morphologie des Schnees gesteuert. In unserem neuen Artikel werden die Ergebnisse von Gleitversuchen mit 5 typischen Schliffstrukturen vorgestellt und mit Berechnungen der realen Kontaktfläche verglichen. Es wurden Oberflächentopographien gemessen und die entsprechenden Rauheitsmerkmale mittels 3D-Lichtmikroskopie analysiert. Die gemessenen Skibelagsprofile und die Korngrößenverteilung von körnigem Schnee bei -2°C wurden mit dem sog. Bearing Modell erfasst. Dieses Modell bringt die Skibelagsoberfläche in Kontakt mit losen und frei beweglichen Schneekörnern, die als Eiskügelchen behandelt wurden. Für die 5 Schliffstrukturen ergab das Modell eine sehr gute Korrelation der realen Kontaktfläche zwischen Ski und Schnee mit den Laufzeiten von Gleitversuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die schneegefüllten Volumina der Schliffstruktur entscheidend das Gleitverhalten beeinflussen.
Dr. Bernadette Schlüter
Elastomere werden häufig als Dichtungsmaterialien eingesetzt. Um bei der Materialentwicklung eine frühzeitige Eignung im Hinblick auf tribologische Fragestellungen zu prüfen ist es sinnvoll, einen Modelltest für kleine Proben aus einem Entwicklungsmuster zur Verfügung zu haben.
Die makroskopische Belastung von Elastomeren kann am MikroTribologie Centrum mit einem 3-Kugel-Tribometer untersucht werden, welches Ermüdungsverschleiß erzeugt und ggf. tiefergehende Ermüdungsrisse im Auslauf der Kugeln generiert. (Siehe Beitrag: Abriebmechanismen von Elastomeren aufklärenund Abriebbeständigkeit von mediengeschmierten Elastomer-Stahl Paarungen)
Ergänzend hierzu kann in einem Ring-Scheibe Tribometer (Flächenkontakt) die mikroskopische Belastung (Topogaphie) untersucht werden. Die modifizierte Variante des Ring-Scheibe-Tribometers für Thermoplaste ist hierfür geeignet. (Siehe Beitrag: Verschleißverhalten von fettgeschmierten Thermoplasten im Ring-Scheibe-Tribometer)
Für Elastomere können die ringförmigen Prüfkörper (Øinnen = 9,2 mm; Øaußen = 15 mm) aus 2 mm dicken, standardmäßig hergestellten Platten ausgestanzt werden. Als Gegenkörper dient eine kommerziell erhältliche Axiallagerscheibe. Die resultierende Kontaktfläche beträgt etwa 170 mm².
Mit dem Gerät sind ca. 2,4 MPa Pressung und 800 U/min Gleitgeschwindigkeit möglich. Das Material kann trocken oder geschmiert untersucht werden.
Die Strukturbildung auf der Elastomerprobe, die durch die tribologische Belastung entsteht, wirkt sich auf die Reibung und den Verschleiß aus.
MikroTribologie Centrum μTC