Reibung und Verschleiß sind ein großer Wirtschaftsfaktor – kleinste Verbesserungen bringen enorme Effekte

Warum MikroTribologie Centrum μTC?

Etwa 80 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus Ingenieur- und Naturwissenschaften bearbeiten in Karlsruhe und Freiburg tribologische Fragestellungen. Sie verfolgen bei der Untersuchung und Optimierung tribologischer Systeme einen ganzheitlichen Ansatz bestehend aus Modellexperimenten, hochaufgelöster Analytik und Multiskalensimulation, der erst die Offenlegung der elementaren Mechanismen erlaubt.

Maßgeschneiderte Modellexperimente

© Foto Fraunhofer IWM

Wir bilden komplexe tribologische Systeme unserer Kunden in vereinfachten aber relevanten Modellsystemen ab,

ƒVerschleißraten messen wir kontinuierlich mit hoher Auflösung,

anwendungsnahe tribologische Prüfungen führen wir an Werkstoffen und Bauteilen durch,

wir untersuchen die tribochemischen Einflüsse auf Reibung und Verschleiß und verknüpfen elektrochemische Methoden mit tribologischen Modell- und Prüfstandsversuchen,

ƒin situ-Verschleißmessungen zur Erfassung kleinster Verschleißraten und deren Änderung führen wir bei variablen Prüfbedingungen direkt und in einem einzigen Versuch durch.

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Hochaufgelöste Triboanalytik

© Foto Fraunhofer IWM

Wir beschreiben orts- und zeitaufgelöst die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur und die Topographie von Tribosystemen,

durch chemische Charakterisierung erfassen wir die elementare Zusammensetzung der Oberfläche und des oberflächennahen Volumens (möglichst mit atomarer Auflösung) und die chemischen Bindungsverhältnisse im darunter liegenden Tribomaterial,

wir erzeugen detaillierte Texturinformationen und unterscheiden amorphe von kristallinen Bereichen durch mikrostrukturelle Charakterisierung,

für eine räumliche Charakterisierung koppeln wir strukturelle und chemische Informationen mit hochaufgelösten topographischen Informationen.

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Multiskalige Tribosimulation

© Foto Fraunhofer IWM

ƒDie chemische, mikrostrukturelle und topographische Komplexität experimenteller Tribosysteme bilden wir in virtuellen Modellen ab,

ƒdie numerische Simulation nutzen wir als virtuelles Mikroskop, die Submikrostruktur bilden wir mit Molekulardynamik ab und die chemische Komplexität stellen wir mit ab initio-Methoden dar,

ƒdurch die mesoskalige Behandlung der Elastohydrodynamik von Tribosystemen können wir Vorschläge für Topographien und für die rheologischen Eigenschaften von Schmierstoffen machen.

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Oberflächendesign und Beschichtung

© Foto Fraunhofer IWM

Wir geben Handlungsanweisungen, wie die Nanostruktur von Schichten einzustellen ist und welche Schmierstoffadditive sich günstig auf Reibung und Verschleiß auswirken,

ƒfür keramische Werkstoffe unter Medienschmierung und Umgebungseinflüssen erarbeiten wir Konzepte, um die Schädigungsentwicklung durch Verschleiß, Korrosion und Alterung zu modellieren,

ƒdurch den Einbau netzwerkmodifizierender Elemente in die Plasmabeschichtung stellen wir die Benetzbarkeit durch Schmiermittel ein und vermeiden unerwünschte Anhaftungen,

ƒunterstützt durch Plasmadiagnostik erlaubt unsere Prozesstechnologie eine getrennte Steuerung von inhärenten und topographischen Eigenschaften von Schichten.

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Kombination Experiment – Analytik – Simulation

ƒDas Potenzial, das in der Kombination von Experiment, Analytik und Simulation liegt, schöpfen wir aus, indem wir realitätsnahe Modellexperimente mit möglichst wenig chemischer Komplexität identifizieren und so den Vergleich mit atomistischen Simulationen ermöglichen.

ƒDa die Vorgänge im Schmierspalt in vielen Systemen nicht direkt experimentell beobachtbar sind, arbeiten wir daran, mit atomistischer Simulation Aussagen zu »schmutzigen« Experimenten machen zu können.

ƒSynergien aus der Kopplung von Analytik und numerischer Simulation erzeugen wir durch möglichst präzise analytische Startstrukturen und die simulationsgestützte Interpretation von Spektren, um aus spektralen Fingerabdrücken auf chemische Bindungsverhältnisse schließen zu können.

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Technische Ausstattung und Möglichkeiten im Überblick

Tribologische Experimente
ƒƒStift-Scheibe-Prüfstände
ƒƒMikrotribometer
ƒƒWälz- und Gleitverschleißprüfstände
ƒƒTribokorrosionsprüfstände
ƒƒFrettingprüfstände
ƒƒMotorprüfstände

Triboanalytik
ƒƒRöntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)
ƒƒMikroskopie (AFM, REM, TEM, FIB)
ƒƒSpektroskopie (Raman, ICP-OES, FTIR)
ƒƒRadionuklidtechnik

Tribosimulation
ƒƒKontinuumsmodelle (FEM, CFD)
ƒƒMesoskopische Partikelsimulation
ƒƒMolekulardynamik
ƒƒTight-Binding
ƒƒDichtefunktionaltheorie
ƒƒEigene Codes (GPAW, Atomistica, SimPartix®)

Oberflächendesign und Beschichtung
ƒƒReaktives Magnetron-Sputtern (HF, DC, Puls-DC) mit HF-Substratbiasing
ƒƒIonenstrahltechniken
ƒƒPECVD-Anlagen
ƒƒPlasma-CVD-Beschichtungsanlagen CCP/ICP
ƒƒMehrkammerbeschichtung für Multilagen und Hybridschichten

 

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