Dr. Thomas Reichenbach, Dr. Gianpietro Moras, Prof. Dr. Michael Moseler
PTFE ist der wohl bekannteste polymerische Festschmierstoff überhaupt. Aufgrund seiner herausragenden Reibeigenschaften ist er für Anwendungen unter extremen Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise im Weltraum vorliegen, unverzichtbar. Dieses Reibverhalten hat seinen Ursprung darin, dass sich die einzelnen PTFE-Moleküle unter Scherung umorientieren und sich sehr leicht gegeneinander verschieben lassen. Gleichzeitig führt diese Schlüpfrigkeit aber auch dazu, dass der Schmierstoff unter hoher Last sehr leicht aus Reibkontakten herausgedrängt wird.
In Wälzlagern ist eine technische Lösung zur Kompensation des PTFE-Verlusts eine kontinuierliche Nachschmierung, indem PTFE-Reservoire in den Wälzlager-Käfig eingebaut werden und Schmierstoff nach und nach auf die Wälzkörper transferiert wird. Einerseits muss dabei ausreichend PTFE übertragen werden, um die gewünschte Reibminderung zu erzielen, andererseits sollten die Schmierstoffreservoire möglichst langsam erschöpfen. Weiterhin ist PTFE ein Vertreter der umstrittenen PFAS-Materialklasse und sollte, solange keine adäquaten Alternativen gefunden worden sind, möglichst ressourceneffizient eingesetzt werden. Eine dringliche Frage ist daher, welche Schmierfilmdicken tatsächlich für eine ausreichende PTFE-Schmierung in Wälzkontakten erforderlich sind.
Im Rahmen des SPP 2074 der Deutschen Forschungsgemeinschaft und in Kooperation mit unseren langjährigen, experimentellen Kollaboratoren vom Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung der RWTH Aachen um Prof. Georg Jacobs und Dr. Florian König konnte die Simulationsabteilung des MikroTribologie Centrums µTC in ihrer neuen Publikation zeigen, dass ein homogener PTFE-Film mit einer Dicke von lediglich 20 Nanometern einen sehr guten Kompromiss zwischen Schmierstoffverbrauch und Reibreduktion bietet [1]. Hierfür wurden experimentell die Reibung und die Schmierfilmverteilung in situ in einem Modell-Wälzkontakt bestimmt. Mittels Molekulardynamiksimulationen konnten Dr. Thomas Reichenbach, Dr. Gianpietro Moras und Prof. Dr. Michael Moseler Reibgesetze entwickeln, die den Zusammenhang zwischen Scherspannung und Schmierfilmdicke beschreiben. Durch die Kombination der experimentell gemessenen Schmierfilmverteilung mit den aus der Simulation abgeleiteten Reibgesetzen konnte die experimentell gemessene Reibung vorhergesagt und die zu erreichende Mindestfilmdicke ermittelt werden, bei deren Unterschreitung die Reibung signifikant zu steigen beginnt.
[1] Reichenbach, T.; von Goeldel, S.; Peeters, S.; Vokolos, G.; König, F.; Jacobs, G.; Moras, G.; Moseler, M., Polytetrafluoroethylene (PTFE) Lubrication of Rolling Point Contacts by Double Transfer Films: Relationships between Friction and Lubricant Film Distribution Revealed by Spacer Layer Imaging and Molecular Dynamics, Tribology Transactions 68/5 (2025) 1102–1113 Link
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