Aktuelles

Nahezu reibungslos – virtuelle Materialsonde bringt Licht in den Reibspalt

20.05.2022

© Fraunhofer, Foto: Uwe Böhm
Die Gewinner des Wissenschaftspreises des Stifterverbandes »Forschen im Verbund«: Prof. Dr. Matthias Scherge und Prof. Dr. Michael Moseler bei der Preisverleihung.

Wenige Atome bestimmen, ob Kraftwerke störungsfrei laufen oder Fahrzeuge energieeffizient unterwegs sind. Eine virtuelle Materialsonde macht tribologische Prozesse auf atomarer Skala sichtbar – und somit steuerbar. Für diese Entwicklung erhält ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes 2022.

Reibung und Verschleiß sind in mechanischen Bauteilen allgegenwärtig. In Gleitringdichtungen für Pumpen oder Kompressoren setzt man daher auf Diamantbeschichtungen: Das kristalline Material schützt die Komponenten, die gegeneinander reiben, lässt sie gut aufeinander gleiten und sorgt somit für eine hohe Lebensdauer. Allerdings kann es zu starken Reibwertschwankungen kommen, in seltenen Fällen sogar zum Ausfall der Anlagen, was Schäden in Millionenhöhe hervorrufen kann. Bislang war jedoch weder bekannt, wodurch solch hohe Reibwerte entstehen, noch welche Voraussetzungen es braucht, um die Reibung konstant auf niedrigem Niveau zu halten.

Ein Forscherteam hat dem Mysterium Diamantreibung nun seine Geheimnisse entlockt: Mit einer virtuellen Materialsonde, die Simulationen auf mehreren Größenskalen mit realen Experimenten kombiniert und während des Gleitens quasi in den Reibspalt hineinsehen kann – was weltweit einzigartig ist. Für die Entwicklung dieser Sonde erhielten Prof. Dr. Michael Moseler und Prof. Dr. Matthias Scherge am 19. Mai 2022 den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes 2022. Als Dritter im Bunde wurde Dr.-Ing. habil. Joachim Otschik von der EagleBurgmann Germany GmbH & Co. ausgezeichnet. Insbesondere die langjährige gemeinsame Forschungsarbeit des Trios, die die Entwicklung der Sonde begleitete und zum Verständnis der Reibungsphänomene in den Gleitringdichtungen führte, überzeugte die Jury.

nach oben

AdapTribo: Verschleißbeständige und kreislauffähige Kunststoffbauteile, die sich einer Reibbelastung anpassen

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Prinzipskizze Adaptribo: eine All-HC Scheibe schmilzt im Reibkontakt eines Stift-Scheibe-Tribometers auf, wobei die lokal auftretenden Scherbelastungen die UHMWPE Ketten orientieren und zu einer robusteren Reibspur führen
© Fraunhofer IWM
Abb. 2: Stift-Scheibe-Tribometer mit einem heizbaren Stift, mit dem in der ersten Phase des Projekts der Einfluss der Kontakttemperatur auf die Strukturbildung in der Reibspur gezielt untersucht werden kann. Anschließend soll untersucht werden, ob die gewünschten Strukturen auch alleine durch die Reibwärme entstehen.
© BMBF

Maschinenelemente aus Polymeren werden zunehmend leistungsfähiger und können daher metallische Bauteile ersetzen. Im Bereich der Antriebstechnik sind Kunststoffkomponenten gegenüber Metallen wegen ihrer guten Dämpfungseigenschaften (positiver Einfluss auf »noise, vibration, harshness«), hohen Korrosionsbeständigkeit und geringem Gewicht (Leichtbau) vorteilhaft. Die für ihren Einsatz notwendige Festigkeit und Verschleißbeständigkeit der Kunststoffkomponenten wird in der Regel durch Zusatz von verstärkenden Partikeln oder Fasern erreicht. Das Recyceln dieser Kunststoffkomposite ist jedoch problematisch: hierzu müsste die Kunststoffmatrix von der verstärkenden Phase getrennt werden, was sehr aufwändig oder in vielen Fällen unmöglich ist. Die Verwendung von sortenreinen Kompositen bietet eine Lösung dieses Problems: wenn Kunststoffmatrix und verstärkende Phase aus demselben Polymer bestehen, erübrigt sich die Trennung der Komponenten. Die Entwicklung einer neuen Klasse von sortenreinen Polyolefinkompositen (all-hydrocarbon-composites, »All-HC«) durch das Freiburger Materialforschungszentrum und LyondellBasell bietet neue Perspektiven für die Entwicklung mechanisch robuster und gleichzeitig wiederverwertbarer Kunststoffbauteile. All-HC sind trimodale Blends aus niedermolekularem PE, PE mittleren Molekulargewichts (HDPE) und ultrahochmolekularem PE (UHMWPE), die mit gängigen Verfahren verarbeitet werden können. Treten während der Verarbeitung starke Scherströmungen auf, werden die UHMWPE-Ketten orientiert, es bildet sich ein hochfester »molekularer Komposit«, in der die hochmolekulare Fraktion in gestreckten Ketten vorliegt und somit das Bauteil verstärkt.

Im Projekt »AdapTribo« des Ideenwettbewerbs »Biologisierung der Technik« soll untersucht werden, ob die verstärkenden Strukturen auch durch eine Reibbelastung genau dort entstehen können, wo ein Verschleißschutz nötig ist. Die Idee ist, dass der Kunststoff durch die Reibwärme kurz aufschmilzt, die Ketten durch die Gleitbewegung orientiert werden und danach in der robusteren faserartigen Struktur erstarren. Mit anderen Worten: können sich All-HC ähnlich wie biologisches Gewebe verhalten, das sich durch externe »Reize« an Belastungen anpasst bzw. adaptiert, so dass es ihnen besser standhalten kann? Diese Fragestellung wird mit den Partnern 2RPS und LyondellBasell in dem vom BMBF geförderten Projekt untersucht.

nach oben

Tribologische Untersuchungen zu extrem verschleißbeständigen, Diamant-SiC-Kompositen für Anwendungen im Subsea-Bereich

28.04.2022

© Fraunhofer IWM
Abb.: Mikrotopografie einer Diamant-SiC-Gleitfläche nach tribologischer Beanspruchung in Wasser.

Dr. Andreas Kailer

Für eine Rohstoffförderung aus dem Meer werden Anlagen benötigt, die unter Wasser betrieben werden können. Die Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind extrem. Für mediengeschmierte Gleitlager und Gleitringdichtungen werden Werkstoffe und Komponenten gebraucht, die diese Anforderungen erfüllen können. In einem Verbundprojekt werden hierfür Komponenten aus SiC-gebundenem Diamant entwickelt. Der Werkstoff ist extrem verschleiß- und korrosionsbeständig und daher bestens geeignet für mediengeschmierte Anwendungen unter Extrembedingungen. Die Entwicklungsarbeiten hierzu laufen noch bis Mitte 2023. Erste tribologische Untersuchungen zeigen eine herausragende Verschleißbeständigkeit und sehr gutes Reibungsverhalten.

 

Info: BMWK-Projekt »SubseaSlide« (03SX508), Projektpartner: Qsil Ingenieurkeramik GmbH, Sulzer Pumpen GmbH, EagleBurgmann GmbH, Miba GmbH, LCP Laser Cut Processing GmbH, Hochschule Furtwangen, Fraunhofer IKTS, Fraunhofer IWM

nach oben

Optimierte PTFE/PEEK-Schmierung von hochbelasteten Wälzlagern

14.04.2022

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: PTFE wird bei hoher Belastung aus dem Stahl Reibkontakten gedrückt. Durch die Synergie von PTFE mit PEEK soll die Festigkeit des Festschmierstoffs erhöht werden, um so den Verschleiß zu reduzieren.

Thomas Reichenbach, Dr. Leonhard Mayrhofer, Dr. Gianpietro Moras, Prof. Dr. Michael Moseler

Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein attraktiver Festschmierstoff für hochbelastete Wälzlager aufgrund seiner außergewöhnlich geringen Reibung. Um die gewünschte Reibreduktion zu erzielen und diese weiter optimieren, ist das grundlegende Verständnis der Bildung von PTFE-Transferfilmschichten sowie der atomistischen Reibmechanismen erforderlich. Im Rahmen der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogramms »Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung« (SPP 2074) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) konnten Forschende des MikroTribologie Centrums in Kooperation mit Stephan von Goeldel, Dr. Florian König und Prof. Dr. Georg Jacobs vom Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung der RWTH Aachen bislang unverstandene Wirkzusammenhänge aufklären. Durch eine Kombination von atomistischen Reibsimulationen (µTC) sowie experimenteller Modellstudien (RWTH) konnte gezeigt werden, dass eine effektive und dauerhafte Schmierung des Reibkontakts durch eine permanente dezentrale Bereitstellung von PTFE mittels eines Doppel-Transfer-Mechanismus erzielt werden kann. Weitere Details dazu können dem Blogeintrag vom 22.10.2021 oder der Originalpublikation entnommen werden.

Durch die Bewilligung zur Verlängerung des Projektes im Rahmen einer zweiten Förderperiode kann diese fruchtbare Zusammenarbeit in den kommenden drei Jahren fortgeführt werden. Ziel dabei ist es, den Verschleiß des Feststoffschmierstoffs PTFE zu optimieren, während die herausragenden Reibwerte beibehalten werden sollen. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei die Verwendung von PTFE/PEEK Kompositen, die zugrundeliegenden Wirkweisen sind allerdings bislang weitestgehend unbekannt. Durch die erneute Kombination von Modellexperimenten und Simulation sollen die Reib- und Verschleißmechanismen dieser Komposite aufgeklärt werden. Die gewonnen Erkenntnisse werden anschließend auf die technische Anwendung transferiert, um verbesserte Radialwälzlager konstruieren zu können.

nach oben

»SUPRASLIDE« – Das Baukastensystem für supraschmierende Werkstoffe und nachhaltige Schmierstoffe

08.04.2022

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Ergebnis der Reibungstests mit Kugel-3-Platten-Geometrie bei Rotation.

Dr. Tobias Amann, Leonhard Böck M.Sc., Dr. Andreas Kailer

Reibung und Verschleiß in tribologischen Kontakten verursachen knapp ein Viertel des weltweiten Primärenergiebedarfs [1]. Tribologische Optimierung stellt daher ein enormes Potential zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zur Absenkung von Kosten dar. In diesem Kontext ist der Supraschmierzustand, bei welchem die Reibung aufgrund spezieller Schmiermechanismen annähernd vollständig verschwindet (Reibungszahl 𝜇 ⩽ 0,01), von besonderem Interesse. Bisher konnte stabile und dauerhafte Supraschmierung hauptsächlich in Modellsystemen nachgewiesen werden. In eigenen Arbeiten wurde mit mesogenen Flüssigkeiten Superschmierfähigkeit in Modellreibversuchen erzielt [2]. Die Übertragung der Supraschmierung auf technische Systeme ist noch nicht im großen Maßstab realisiert worden und Bestandteil aktueller Forschung.

Das Ziel des Prepare-Projekts »SUPRASLIDE« ist daher die Entwicklung von supraschmierenden Gleitlagern für technische Anwendungen. Forschende aus den vier Fraunhofer-Instituten IWM, IPA, IWS und IKTS wollen einen Baukasten aus verschiedenen supraschmierenden Systemen wie Keramik, Diamant, Graphen oder Kohlenstoffschichten in Kombination mit nachhaltigen Schmierstoffen etablieren.

Im ersten Jahr des Projekts wurden verschiedene Modellschmierstoffe, keramische Werkstoffe (IKTS) und DLC-Schichten (IWM und IWS) in einem Kugel-3-Platten Modellreibversuch tribologisch untersucht (s. Abb. 1). Nach einem Einlaufversuch wurden Geschwindigkeitsrampen durchgeführt, um die Reibung unter verschiedenen Schmierungsregimen zu analysieren. Im Vergleich zu einem Referenzsystem kann durch geeignete Wahl der Kombination von Reibpartnern und Zwischenmedium der Reibwert stark gesenkt, und Supraschmierung erreicht werden (s. Abb. 1).

 

Danksagung: Diese Arbeit wurde von Fraunhofer finanziert (PREPARE-Projekt »SupraSlide«).

[1] Holmberg, K. et al., Tribol. Int., 135, 2019, 389
[2] Amann, T. et al., ACS Omega, 2, 2017, 8330

nach oben

Archiv: Ältere Beiträge

2021

2020

2018-2019