Tribologie

Mit fundiertem Wissen rund um Reibung und Verschleiß zu gezielten Produktverbesserungen

© Fraunhofer IFAM
Tribologische Entwicklung aus einer Hand.

Ob Motoren und Pumpen als Ganzes oder deren Dichtungen - nahezu jedes Anwendungsprodukt ist von Reibung und Verschleiß betroffen. Die Folgen sind hohe Energieverluste und eine verkürzte Lebensdauer der Produkte. Um dem entgegenzuwirken beschäftigt sich das Fraunhofer IFAM intensiv mit der Tribologie, also der Frage, wie sich Reibung und Verschleiß vermindern oder die Schmierung zwischen Bauteilen verbessern lassen. Denn diese Faktoren werden von verschiedenen Dingen wie der Werkstoffauswahl, der Oberflächenbeschichtung oder der Kontaktgeometrie unmittelbar beeinflusst. Mit seinem breiten Spektrum an Kompetenzen in den Bereichen Materialforschung, Beschichtungstechnik und Analytik bietet das Institut ideale Voraussetzungen, um ganzheitliche tribologische Lösungen zu entwickeln.

Reibungsminderung und Verschleißschutz durch maßgeschneiderte Werkstofflösungen

Reibung und Verschleiß werden von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst. Dazu gehört neben Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit oder Beanspruchungsfaktoren wie Druckbelastungen vor allem auch der Werkstoff selbst. Beim Werkstoff stellen neben der chemischen Zusammensetzung die Gefügestruktur, die Festigkeit und das Dämpfungsverhalten bedeutende Eigenschaften dar. Am Fraunhofer IFAM stehen verschiedene Fertigungs- und Formgebungsverfahren zur Verfügung, mit denen sich maßgeschneiderte Werkstofflösungen erstellen lassen:

Verfahren	Vorteile	Anwendungsbeispiele
Pulvermetallurgie	Tribologische Beanspruchungen erfordern oft verschiedenartige, meist sogar konträre Werkstoffeigenschaften. Die Pulvermetallurgie ermöglicht durch die Erforschung spezifischer Reib- und Gleitwerkstoffe die gezielte Einstellung tribologischer Eigenschaften von metallischen Werkstoffen.	Synchronringe für Automobilgetriebe Reibbeläge / Bremsbeläge (Fahrrad, Auto)
Kompositwerkstoffe	Kompositwerkstoffe sind Materialien, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen zusammengesetzt sind. Ein Stahlwerkstoff kann beispielsweise durch die Zugabe von Keramik verschleißbeständiger gemacht werden.	Implantate Messer, Scheren Reibbeläge/Bremsbeläge Dichtungen, Düsen Kugeln, Mahlwerke
Gießereitechnik	Die Gießereitechnik entwickelt Werkstoffe und Legierungen zur maßgeschneiderten Anpassung an den Verwendungszweck. Beispielsweise sind feinere Gefüge an der Oberfläche umsetzbar, um die Reibeigenschaften zu verbessern.	Motorzylinder Thixotrope Pleuel

Tribologische Beschichtungen ermöglichen eine höhere Lebensdauer von Produkten

Maschinen und Werkzeuge sind heutzutage immer höheren Belastungen im Hinblick auf Verschleiß und Reibung ausgesetzt. Die Oberflächen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Sie bestimmen die Reibung, den Verschleiß und das Schmierverhalten und damit auch die Haltbarkeit. Spezielle Funktionsbeschichtungen, aufgetragen beispielsweise durch Plasma- oder Dickschichtverfahren, können die Lebensdauer von Bauteilen verbessern. Zudem lässt sich durch den Einsatz von reibungs- und verschleißmindernden Beschichtungen Energie einsparen, indem zum Beispiel die Beweglichkeit aller Teile, auch komplexer Geometrien, in spezifischen Anwendungen erleichtert wird. Am Fraunhofer IFAM werden tribologische Beschichtungsverfahren für verschiedenste Anwendungen und Branchen entwickelt:

Verfahren	Vorteile	Anwendungsbeispiele
Funktionale Plasmabeschichtungen	Neben den eher gängigen tribologischen Beschichtungen für metallische Werkstoffe, entwickelt das Fraunhofer IFAM insbesondere auch reibungs- und verschleißmindernde Beschichtungen für Kunststoffe.	Elastomerdichtungen, Radialwellendichtringe, Kassettendichtungen, O-Ringe, Dichtungsmanschetten, Dichtungen für medizinische Spritzen, Ventildichtungen Dämpfungsscheiben, Scheibenwischgummis, Gummiräder, Gummiwalzen, Gleitlackersatz Leichtmetalle, Scheren, Messer, Führungsschienen, Eloxalersatz
Funktionelle Lacke	Um die Lebensdauer von Bauteilen zu erhöhen steht die Entwicklung tribologisch beanspruchbarer Lacke im Fokus. Diese werden in Abhängigkeit der jeweiligen, u.a. witterungsbedingten, Anforderungen, zum Beispiel des Automobil- Flugzeug- oder Windenergieanlagenbaus, mit den nötigen Eigenschaften versehen.	Gleitlacke Strömungsoptimierung von Schiffsrümpfen, Windradflügeln und Lüftern (bspw. vom Computer oder Hausbelüftungen, Werkshallenbelüftung)
Dickschicht-Technologie	Mit der Dickschicht-Technologie lassen sich verschiedene, insbesondere auch harte Verschleißschutzschichten realisieren. Diese haben den Vorteil, dass sie auch in elektrischer Leitfähigkeit oder Biokompatibilität ausgestaltet werden können.	Harte Verschleißschutzschichten auf Edelstählen durch Reaktionssintern von Titan-Pasten Sensorentwicklung für Druckbelastung und Verschleißzustand

Umfassende Analytik für reibungslose Prozesse

Neben der Entwicklung von Werkstoffen und Funktionsbeschichtungen spielt in der Tribologie auch die Analyse von Bauteilen und Prozessen eine entscheidende Rolle. Am Institut stehen verschiedene Analysemethoden zur Verfügung, dank denen tribologische Systeme optimiert werden können. Ziel ist es dabei, reibungsbedingte Energie- und Materialverluste zu reduzieren. Folgende Modellprüfstände stehen am Fraunhofer IFAM zur Verfügung:

Tribometer Bruker/CETR für oszillierende und rotierende Messungen in verschiedenen Lastbereichen (UMT1, UMT3)
Tribometer Wazau für rotierende Messungen (TRM 5000)
Waschbarkeits- und Scheuerprüfgerät TQC Abrasion Tester
Oszillierender Abrasionsprüfstand PrEN 6124 mit hoher Gewichtsbelastung
Taber-Abraser-Tester

Ergänzend dazu bietet das Institut vielfältige Verfahren zur Oberflächencharakterisierung und Werkstoffanalyse. Dazu zählen u. a. hochauflösende Mikroskoptechniken und Elementanalysen.

Dr. Dominik Paulkowski forscht in der Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Tribologie. Zusammen mit weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern arbeitet er daran, Bauteile und Beschichtungen so zu optimieren, dass sie im Langzeitbetrieb beständig sind.