Verschleiß von weichen Materialien aus der generativen Fertigung bewerten
Bauteilschädigungen durch Wasserstoffdiffusion
Charakterisierung der Einflüsse regenerativer Kraftstoffe auf die Tribologie von Motorkomponente
Atomistische Simulation von Graphit in Reibkontakten
Einfluss von Graphen/PTFE auf die Belastbarkeit und Lebensdauer von Gleitlacken
Dr. Raimund Jaeger
Die generative Fertigung, auch 3D-Druck, ermöglicht die Herstellung von kundenindividuellen Produkten im Rahmen von Mass Customization. Ein besonderes Interesse liegt hier auf der Herstellung von Schuhen, da dieser Markt sich für eine individuelle Produktanpassung besonders gut eignet. Der Hersteller »Under Armour« hatte großen Erfolg mit einer limitierten Auflage seiner »ArchiTech«-Schuhe, bei denen ein Teil der Zwischensohle generativ gefertigt ist. Auch Adidas, Nike und Puma arbeiten an generativ gefertigten Schuhen. Für dieses Ziel kommen immer neue Materialien auf den Markt, die hinsichtlich ihrer Eignung charakterisiert werden müssen. In dem BMBF-geförderten Projekt »Lasergestützter Aufbau von kundenindividueller Fußbekleidung« (Förderkennzeichen 03XP0010) wurden jetzt verschiedene TPU-Varianten aus dem Selektiven Lasersintern (SLS) mit dem steifen Polyamid 12 und Sohlenmaterial aus konventioneller Herstellung verglichen.
Abrieb gegen Sandpapier, Kugeln oder Klingen
Das Forschungsteam des Fraunhofer IWM verglich nicht nur den Reibwert, also die Rutschneigung, sondern auch den Verschleiß unter verschiedenen Belastungsarten. Genau wie es Straßen und Wege mit Sand, Schotter oder Kopfstein gibt, verwendete das Team verschiedene Gegenpartner aus Sandpapier, scharfen Kanten oder glatten Kugeln, um mögliche Szenarien zu untersuchen. Dabei konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit kleinen Proben in einer kurzen Zeit reproduzierbare Ergebnisse ermitteln. Die Abriebpartikel und die Reibspuren geben zusätzliche Hinweise auf die Verschleißmechanismen. Hier zeigten sich die Besonderheiten der generativen Fertigung: Unter bestimmten Bedingungen versagen die schichtweise hergestellten Proben entlang der Schichtgrenzen
Für Sohlen noch Entwicklungsbedarf
Unter allen Belastungsarten zeigten die TPU-Varianten X92A und X97A einen geringeren Verschleiß als die konventionell hergestellten Vergleichsproben. Innerhalb der 3D-Druckmaterialien lag einmal das Polyamid 12 vorne und ein anderes Mal das weiche TPU X92A. Lediglich der Reibwert entsprach nicht den Vorstellungen, denn er lag bei den 3D-Druckmaterialien tendenziell etwas zu niedrig. Damit der 3D-Druck von Schuhen ein Erfolg wird, besteht hier noch Entwicklungsbedarf.
Dr. Frank Burmeister, Lukas Gröner
Im Zuge der wachsenden Bedeutung von Power-to-Gas und Brennstoffzellenanwendungen müssen oftmals metallische Bauteile vor Wasserstoffversprödung geschützt werden. Beispiele sind Bipolarplatten in SOFC- Brennstoffzellen, die korrosiven Sauer- und Wasserstoffatmosphären ausgesetzt sind, sowie wasserstoffinduzierte, lebensdauerbegrenzende »white etching cracks« in Lagern von Windkraftturbinen. Eine Möglichkeit, um Strukturbauteile vor Wasserstoff zu schützen, ist die derartige Applikation dünner Schichten auf PVD-Basis. Um im Zuge der Schichtentwicklung deren Barriereeigenschaften messen und vergleichend bewerten zu können, wurde ein Gaspermeationsprüfstand aufgebaut.
Erforschung geeigneter Schichtmaterialien
Anhand von Recherchen und atomistischen Simulationen wurden nanolaminare, ternäre Nitride als potenzielle Materialien mit guten Barriereeigenschaften identifiziert. Bei diesen »MAX-Phasen«-Materialien wechseln sich atomare Metall- mit Nitrid-Lagen ab. Sie vereinen metallische mit keramischen Eigenschaften und kombinieren gute chemische Beständigkeit mit hoher mechanischer Schadenstoleranz. Ein Vertreter ist Ti2AlN, zu dessen Abscheidung ein reaktiver Sputterprozess erarbeitet wurde, mit dem sehr phasenreine MAX-Phasen mit kristallografischer Vorzugsorientierung erzeugt werden können.
Aufbau des Permeationsprüfstands
Das zu prüfende Blech wird vakuumdicht als »Membran« zwischen zwei Kammern eingespannt. Auf der Hochdruckseite wird das zu detektierende Gas (Wasserstoff beziehungsweise Deuterium) eingelassen, auf der Niederdruckseite (10-8 mbar) werden durch das Blech hindurchdiffundierte Gasmoleküle massenspektrometrisch detektiert. Über einen Heizstrahler kann die Temperatur des Blechs von Raumtemperatur bis 300 °C variiert werden. Durch die Analyse der Ionenströme werden Rückhalteraten bestimmt (in Abbildung 1 zirka 1,5 Größenordnungen). Damit können Barriereeigenschaften von Schichten gegen Wasserstoffdiffusion quantifiziert werden und gezielte Schichtentwicklungen erfolgen.
13.03.2020
Prof. Dr. Martin Dienwiebel
Durch Emissionsprobleme und durch das Aufkommen elektrischer Antriebe geraten Verbrennungsmotoren als Antrieb immer stärker unter Druck. In einigen europäischen Ländern wurde bereits ein Datum, nach dem Verbrennungsmotoren verboten werden sollen, festgelegt. Trotz des Trends zur Elektromobilität werden Verbrennungsmotoren aber weiterhin wichtig bleiben und noch lange im Einsatz sein, insbesondere im Transportbereich (LKW, Schiffe). Klimaschonende, synthetisch erzeugte Kraftstoffe, welche aus CO2 und Wasserstoff mit regenerativ erzeugtem Strom gewonnen werden sollen, könnten den Verbrennungsmotor »retten«. Dies wirft jedoch die Frage nach der Kompatibilität der vorhandenen Motorkomponenten mit einer erhöhten oxidativen Wirkung einiger regenerativer Kraftstoffe auf. Neben dem kraftstoffführenden System muss insbesondere der Brennraum aufgrund des erhöhten Temperaturniveaus und der Kraftstoffverschmutzung des Schmieröls hinsichtlich einer möglichen korrosiven Beeinflussung betrachtet werden. Als Teil der von der Fraunhofer-Gesellschaft und dem Land Baden-Württemberg geförderten »Profilregion Mobilitätssysteme Karlsruhe« wurden die tribologischen Auswirkungen einer Verdünnung des Schmierstoffs durch Oxymethylenether (OME) untersucht und mögliche korrosive Effekte auf das System mit oberflächenanalytischen Methoden ermittelt.
Die Reibung bestimmen hauptsächlich Viskositätseffekte
Um im Vorfeld von kostenintensiven motorischen Erprobungen zunächst die tribologischen Eigenschaften zu betrachten, wurden Tribometer-Tests mit unterschiedlichen OME-Konzentrationen in einem kommerziell verwendeten Motoröl durchgeführt. Die Öl-Kraftstoff-Mischungen enthielten 10, 20, 30 oder 50 Volumenprozent OME. Das Stiftmaterial für die tribologischen Experimente wurde speziell ausgewählt, um einen DLC-beschichteten Kolbenring darzustellen, während das Scheibenmaterial eine moderne Zylinderlaufbuchsenoberfläche eines Verbrennungsmotors darstellen sollte. Die für das Scheibenmaterial auf Grauguss (EN-GJL-250) aufgebrachte Spritzschicht wurde aus einem kohlenstoffarmen Stahl (EN 10016-2) abgeschieden und hatte nach der Abscheidung eine Dicke von bis zu 500 μm. Die wasserstoffhaltige PACVD DLC-Beschichtung wurde von der Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« beigesteuert. Zur Quantifizierung des Verschleißes im Modellsystem »DLC-thermische Spritzschicht« wurde die Radionuklidtechnik (RNT) eingesetzt, und so wurden die Verschleißraten der Spritzschicht hochaufgelöst in Echtzeit bestimmt.
Der Einfluss der OME-Verdünnung des Öls auf die Reibung lässt sich primär auf Viskositätseffekte zurückführen. Durch die Beimischung von OME wird die Viskosität reduziert und damit die Tragfähigkeit des Schmierfilms abgesenkt (siehe Abbildung 1). Weil sich bei hohen OME-Konzentrationen das Tribosystem in der Mischreibung aufhält, steigt der Reibwert mit zunehmender OME-Verdünnung an. Außerdem kann auch ein erhöhter Verschleiß der DLC-Schicht nach Versuchsende festgestellt werden. Die Echtzeit-Verschleißdaten der Eisenspritzschicht zeigen ebenfalls erhöhte Verschleißraten, allerdings verhält sich die Spritzschicht relativ gutmütig und kann als unkritisch eingeschätzt werden. Auf dem Gegenkörper können bei hoher OME-Verdünnung allerdings erste Anzeichen von abrasivem Verschleiß beobachtet werden, was auf den höheren Grenzreibungsanteil zurückzuführen ist.
Keine korrosive Wirkung von OME
Um zu untersuchen, ob der erhöhte Sauerstoffgehalt des OME zu einer erhöhten Tribokorrosion führt, wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) in den Reibspuren, die mit reinem Motoröl und unter OME-Anteil gefahren wurden, oberflächennahe Tiefenprofile gemessen. In allen Reibspuren konnte unabhängig vom OME-Gehalt im Schmiermittel ein vergleichbarer Verlauf der Sauerstoffkonzentration detektiert werden. Dies ist in guter Übereinstimmung mit den bestimmten Verschleißraten, welche bei einem korrosiven Einfluss der OME-Verdünnung deutlich ansteigen müssten. Somit ist von keiner korrosiven Wirkung von OME bei diesem Tribosystem auszugehen.
Des Weiteren liegt eine Korrelation zwischen der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration der Additive bei einer Tiefe von über 30 nm vor. Bei größer werdender OMEKonzentration werden zunehmend Oxide von bestimmten Additivelementen, nämlich Ca, Zn und P, registriert, welche gleichzeitig auch zum Anstieg der Sauerstoffkonzentration bei größeren Sputtertiefen führten. Zusammenfassend konnte durch oberflächenchemische Analysen keine Korrosion der Stahlspritzschicht nachgewiesen werden, sodass der Einsatz von OME als Kraftstoff sinnvoll erscheint. Eine Anpassung des Additivpakets auf neue regenerative Kraftstoffe ist dennoch zu empfehlen. Somit kann die hier erprobte Paarung von a-C:H-beschichteter Stift im Kontakt mit einer Eisenspritzschicht als aussichtsreiches Tribosystem für einen motorischen Betrieb mit OME gesehen und sollte in motorischen Versuchen genauer geprüft werden.
Dr. Andreas Klemenz
Graphit ist einer der ältesten technisch eingesetzten Trockenschmierstoffe. Nachdem gezeigt wurde, dass Graphitkristalle aus Stapeln aus Graphenlamellen aufgebaut sind, kam die Vorstellung auf, dass sich diese Lamellen unter dem Einfluss einer Scherspannung gegeneinander verschieben könnten, ähnlich den Karten in einem Kartenspiel. Dieses „deck-of-cards“-Modell liefert eine anschauliche Erklärung für die Schmiereigenschaften, kann jedoch nicht alle Eigenschaften von Graphit in tribologischen Systemen erklären. Bereits in den 1930er Jahren wurde nachgewiesen, dass eine gewisse Luftfeuchtigkeit erforderlich ist, um Graphit als Schmiermittel einsetzen zu können. In trockenen Umgebungen verliert Graphit seine guten Schmiereigenschaften und graphitgeschmierte Kontakte zeigen hohe Reibung und hohen Verschleiß. Seither kamen unterschiedliche Vermutungen über die grundlegenden Reibmechanismen auf, von denen jedoch keine ein vollständiges Bild ergibt. Daher sind bis heute die Effekte, die den Schmiereigenschaften des Graphits zugrunde liegen, weitgehend unverstanden.
Seit Kurzem verfolgt das Fraunhofer IWM hier einen neuen Ansatz. Wird Graphit als Schmiermittel auf eine technische Oberfläche aufgebracht, so hat die Graphitschicht zwangsläufig eine polykristalline Struktur. Reibt ein Gegenkörper über diese Oberfläche, so kommt es zum Gleiten von Graphitkristallen gegeneinander. Da die Atome an den Rändern von Graphenlamellen hochreaktive ungesättigte Bindungen aufweisen können, wird es in diesem Bereich zu Rekonstruktionen und zu chemischen Reaktionen mit der Umwelt kommen, insbesondere mit umgebenden Wassermolekülen. Atomistische Simulationen legen nahe, dass die Anwesenheit von Wasser drastischen Einfluss auf das Gleiten der Graphitkristalle gegeneinander hat (Abb. 1). In trockenen Umgebungen kommt es zu Kaltverschweißungen der Oberflächen mit nachfolgender Amorphisierung des Graphits. Bereits eine geringe Anzahl Wassermoleküle im Reibkontakt kann dies unterdrücken und die Reibung um mehrere Größenordnungen reduzieren.
Dr. Bernadette Schlüter
Gleitlacke haben gegenüber flüssigen Schmierstoffen einige Vorteile: Sie können bei höheren Temperaturen sowie unter trockenen Bedingungen eingesetzt werden. Allerdings besteht allgemeiner Entwicklungsbedarf von Gleitlacken, um die Belastbarkeit und Lebensdauer zu erhöhen. Dies kann durch einen geringeren Verschleiß der Lacke bei niedriger Reibung und reduzierter Schichtdicke ermöglicht werden. Seit längerem ist Polytetrafluorethylen (PTFE) als Reibminderer in Gleitlacken Stand der Technik. Zudem ist bekannt, dass Graphennanopartikel Polymere mechanisch verstärken und die Leitfähigkeit erhöhen können.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit der Fraunhofer Institute IFAM und IWM wurden Polyurethan und Epoxidharze (lösemittelhaltig und wässrig) sowohl mit Graphen zur mechanischen Verstärkung als auch mit PTFE als Reibminderer modifiziert und qualifiziert. Die Herstellung der Gleitlacke wurde so optimiert, dass sich eine sehr gute Haftfestigkeit und eine sehr homogene Verteilung der Füllstoffe in der Polymermatrix ergaben. In tribologischen Untersuchungen wurden die entwickelten Gleitlacke hinsichtlich des Reibverhaltens, der Abriebbeständigkeit sowie auch im Vergleich zu kommerziellen Gleitlacken bewertet. Die neu entwickelten, modellhaften Gleitlacksysteme (PUL und EPL) zeigten sehr gute tribologische und mechanische Eigenschaften. Je nach Graphentyp und Lackmatrix konnte der Verschleiß um bis zu 50% und der Reibwert um bis zu 35% verringert werden. Zudem wurde die Leitfähigkeit der Lacke deutlich erhöht. Somit ergibt sich durch die Kombination von Graphen und PTFE als Füllstoffe die Möglichkeit einer wesentlichen Verbesserung der Belastbarkeit und Lebensdauer.
Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages über die deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. im Rahmen des IGF Vorhaben Nr. 19322N gefördert. (Laufzeit: 01/2017 - 12/2019)
