Um Reibung und Verschleiß zu verringern, kommen Schmiermittel wie Öle, Fette oder Gase in Maschinen zum Einsatz. Dies ist aber nicht immer möglich, etwa bei Vakuumtechnologien in der Raumfahrt oder Medizintechnik. Hier finden stattdessen Festschmierstoffe Verwendung, die auf die Oberflächen der Bauteile aufgebracht werden. Bislang ist wenig über die Eigenschaften solcher Stoffe bekannt, vor allem wenn sie hohen Belastungen ausgesetzt sind. In einem neuen Schwerpunktprogramm (SPP) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) werden Forscher um Professor Dr. Bernd Sauer von der TU Kaiserslautern dies genauer untersuchen. Die DFG fördert die Arbeiten ab 2018 zunächst für drei Jahre.
Schmiermittel sind für Maschinen wie Antriebe und Motoren unerlässlich: Sie verringern die Reibung und sorgen dafür, dass sie nicht heiß laufen. Meist handelt es sich hierbei um Flüssigkeiten wie Öle oder aber Gase. Experten sprechen in diesem Zusammenhang von fluiden Schmierstoffen. „Diese können aber nicht in allen technischen Systemen zum Einsatz kommen“, sagt Professor Dr. Bernd Sauer, der an der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern den Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik innehat. „Im Vakuum würden sie zum Beispiel direkt verdampfen, wie dies etwa bei der Raumfahrt der Fall ist.“
Eine Alternative stellen daher feste Schmierstoffe dar. „Sie werden auf die Oberfläche der Bauteile aufgetragen“, fährt Sauer fort. „Zwischen den beiden aufeinander reibenden Oberflächen bildet sich dabei eine Transferschicht aus. Im laufenden Betrieb kommt es durch Verschleiß fortwährend zu einem Schichtabbau. Gleichzeitig nutzt man hier aber Mechanismen, die einen erneuten oder kontinuierlichen Aufbau der Feststoffschmierschicht bewirken.“
Bislang haben Wissenschaftler solche Schmiersysteme nur bei Techniken gut untersucht, bei denen es aufgrund von geringem Kontakt und Druck zwischen den Oberflächen zu wenig Wechselwirkung kommt. Anders sieht es jedoch bei hohen Belastungen aus, wie dies etwa bei Wälzlagern oder Zahnrädern der Fall ist. „Wir wissen wenig darüber, welche genauen chemisch-physikalischen Prozesse es hierbei an den Oberflächen gibt“, fährt Sauer fort.
Im Rahmen des neuen SPP „Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ möchten die Forscher untersuchen, wie sich solche Stoffe auf Mikro- und Nanoebene verhalten. Sie analysieren dabei unter anderem, wie sich verschiedene Faktoren wie Druck, Temperatur und Reibenergie auf ihre Eigenschaften auswirken.
Festschmierstoffe bieten in vielen Bereichen eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren an, nicht nur in der Luft- und Raumfahrt. „Hier gab es in den 1960er Jahren erstmals Forschungsdaten, als solche Systeme für die Raumfahrt wichtig wurden“, berichtet Sauer. Auch in der Medizintechnik, dem Fahrzeugbau und der Lebensmitteltechnologie sind sie oft unabdingbar. „Bei Strahlung, sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen liefern sie häufig die einzige Lösung“, erläutert Sauer. „Aber auch bei Raumtemperatur können sie Vorteile bieten, zum Beispiel bei geringen Geschwindigkeiten, bei denen sich kein tragender Schmierfilm aufbauen kann und sich so zwischen den Bauteilen die Reibung erhöht.“ Darüber hinaus könne eine Feststoffschmierung die Effizienz und Funktionalität bei Maschinen erhöhen.
Die Kaiserslauterer Ingenieure werden im Rahmen des SPP interdisziplinär mit Kollegen aus Aachen, Karlsruhe, Wien und weiteren Standorten zusammenarbeiten. Ziel ist es unter anderem, verschiedene Simulations- und Analysemethoden aus Maschinenbau, Materialforschung, Physik und Chemie zu nutzen und zu vernetzen, die komplexen Zusammenhänge der festen Schmierstoffe zu analysieren und auch neue Schmiertechniken zu entwickeln. Koordiniert wird das Schwerpunktprogramm von Professor Sauer in Kaiserslautern.
Die DFG unterstützt das Schwerpunktprogramm zunächst für drei Jahre, weitere drei Jahre schließen sich in einer zweiten Förderperiode an. Das Schwerpunktprogramm startet Mitte 2018. Im Rahmen des neuen SPP soll in erster Linie der wissenschaftliche Nachwuchs gefördert werden: Bis zu 18 Doktoranden werden im SPP forschen können. Ein besonderes Kennzeichen der SPP ist die überregionale Kooperation der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Schmiermittel sind für Maschinen wie Antriebe und Motoren unerlässlich: Sie verringern die Reibung und sorgen dafür, dass sie nicht heiß laufen. Meist handelt es sich hierbei um Flüssigkeiten wie Öle oder aber Gase. Experten sprechen in diesem Zusammenhang von fluiden Schmierstoffen. „Diese können aber nicht in allen technischen Systemen zum Einsatz kommen“, sagt Professor Dr. Bernd Sauer, der an der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern den Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik innehat. „Im Vakuum würden sie zum Beispiel direkt verdampfen, wie dies etwa bei der Raumfahrt der Fall ist.“
Eine Alternative stellen daher feste Schmierstoffe dar. „Sie werden auf die Oberfläche der Bauteile aufgetragen“, fährt Sauer fort. „Zwischen den beiden aufeinander reibenden Oberflächen bildet sich dabei eine Transferschicht aus. Im laufenden Betrieb kommt es durch Verschleiß fortwährend zu einem Schichtabbau. Gleichzeitig nutzt man hier aber Mechanismen, die einen erneuten oder kontinuierlichen Aufbau der Feststoffschmierschicht bewirken.“
Bislang haben Wissenschaftler solche Schmiersysteme nur bei Techniken gut untersucht, bei denen es aufgrund von geringem Kontakt und Druck zwischen den Oberflächen zu wenig Wechselwirkung kommt. Anders sieht es jedoch bei hohen Belastungen aus, wie dies etwa bei Wälzlagern oder Zahnrädern der Fall ist. „Wir wissen wenig darüber, welche genauen chemisch-physikalischen Prozesse es hierbei an den Oberflächen gibt“, fährt Sauer fort.
Im Rahmen des neuen SPP „Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ möchten die Forscher untersuchen, wie sich solche Stoffe auf Mikro- und Nanoebene verhalten. Sie analysieren dabei unter anderem, wie sich verschiedene Faktoren wie Druck, Temperatur und Reibenergie auf ihre Eigenschaften auswirken.
Festschmierstoffe bieten in vielen Bereichen eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren an, nicht nur in der Luft- und Raumfahrt. „Hier gab es in den 1960er Jahren erstmals Forschungsdaten, als solche Systeme für die Raumfahrt wichtig wurden“, berichtet Sauer. Auch in der Medizintechnik, dem Fahrzeugbau und der Lebensmitteltechnologie sind sie oft unabdingbar. „Bei Strahlung, sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen liefern sie häufig die einzige Lösung“, erläutert Sauer. „Aber auch bei Raumtemperatur können sie Vorteile bieten, zum Beispiel bei geringen Geschwindigkeiten, bei denen sich kein tragender Schmierfilm aufbauen kann und sich so zwischen den Bauteilen die Reibung erhöht.“ Darüber hinaus könne eine Feststoffschmierung die Effizienz und Funktionalität bei Maschinen erhöhen.
Die Kaiserslauterer Ingenieure werden im Rahmen des SPP interdisziplinär mit Kollegen aus Aachen, Karlsruhe, Wien und weiteren Standorten zusammenarbeiten. Ziel ist es unter anderem, verschiedene Simulations- und Analysemethoden aus Maschinenbau, Materialforschung, Physik und Chemie zu nutzen und zu vernetzen, die komplexen Zusammenhänge der festen Schmierstoffe zu analysieren und auch neue Schmiertechniken zu entwickeln. Koordiniert wird das Schwerpunktprogramm von Professor Sauer in Kaiserslautern.
Die DFG unterstützt das Schwerpunktprogramm zunächst für drei Jahre, weitere drei Jahre schließen sich in einer zweiten Förderperiode an. Das Schwerpunktprogramm startet Mitte 2018. Im Rahmen des neuen SPP soll in erster Linie der wissenschaftliche Nachwuchs gefördert werden: Bis zu 18 Doktoranden werden im SPP forschen können. Ein besonderes Kennzeichen der SPP ist die überregionale Kooperation der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
