Die Tribologie von Polymeren kann komplex sein: ein neuer Schmierstoff kann zu einem unerwarteten Reib- und Verschleißverhalten eines Kunststoffzahnrads führen, in einigen Gelenken einer Charge „Knarzen“ die Kunststofflager, und ein Elastomer zeigt bei tribologischer Belastung unter einer aggressiven Atmosphäre einen deutlich höheren Verschleiß. Für diese Fragstellungen erarbeiten wir Lösungsansätze.
Auf dieser Seite:
Leistungen und Anwendungsfälle
Einfluss der Schmierung auf Thermoplaste
Energetische Systembewertung und Schmierstoffwechselwirkung
Verschleiß von Reifenelastomeren
Strukturierte Elastomere und Elastomerbeschichtungen
»Quietschen« durch Gleitbewegung von Kunststoff-Hart-Paarungen
Wie können geschmierte Thermoplastsysteme in der Antriebstechnik ausgesucht und bewertet werden? Für industrielle Nutzer wurde ein Handlungsablauf zur Beurteilung der Wirkung von Schmierstoffen auf tribologische Eigenschaften von Kunststoffen abgeleitet und ein Vorschlag für einen Prüfablauf entwickelt.
Hierfür wurden z.B. Experimente an den für tribologische Anwendungen typischen Polymeren Polyoxymethylen (POM), Polyketon (PK) und Polyamid 4.6 (PA46) in Kombination mit polaren und unpolaren Polyalkylenglykol-Ölen (pPG bzw. uPG), einem esterbasierten Öl (EST) und einem Öl auf Basis von Polyalphaolefin (PAO) durchgeführt. Eine Alterung der Polymere im Öl erfolgte bei 100°C, 130°C und 160°C, sowohl unter Luftatmosphäre als auch unter Ausschluss von Sauerstoff für Zeiträume zwischen 4 und etwa 100 Tagen.
Für die untersuchten Systeme ergab sich bei zunehmender Quellung der Polymere eine Abnahme von Schubmodul, Mikrohärte und eine Zunahme der Abriebrate.
Die Veränderungen der tribologischen Einsatzeigenschaften durch thermische Alterung und oxidativen Angriff waren systemspezifisch, können aber in Ihrer Wirkung durch die Veränderungen der Werkstoffeigenschaften eingeordnet werden.
Geschmierte Thermoplasten zeigen bereits bei Auslagerung im Medium an Luft oder bei Sauerstoffausschluss ein spezifisches Verhalten. Eine Quellung führt bei milder Mischreibungsbelastung zu einer erhöhten Verschleißrate.
Es ist nicht egal, welche Schmierstoffe und welche Thermoplasten in Antriebs- oder an Gleitelementen mit einander vermischt werden.
Was passiert bei einer ungünstigen Paarung? Steigt die Reibung? Erhöht sich der Verschleiß?
In einer Open Access Veröffentlichung im Journal Lubricants MDPI beschreiben wir die Auswirkungen der spezifischen Paarung von Schmierstoff und Thermoplasten bei geringer Belastung in der Mischreibung gegen Stahl. Schmierstoffe können von Thermoplasten aufgenommen werden oder aber über Ihre Neigung in den Spalt zu spreiten die adhäsive Reibung des benetzten Systems verändern. Über energetische Kenngrößen der Spreitung und der Interaktion können Reibung, Sorption und Verschleiß von Thermoplasten in Ihrer Neigung beschrieben werden.
Koplin, C.; Oehler, H.; Praß, O.; Schlüter, B.; Alig, I.; Jaeger, R., Wear and the transition from static to mixed lubricated friction of sorption or spreading dominated metal-thermoplastic contacts, Lubricants 10/5 (2022) Art. 93, 21 Seiten
https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/417803
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Abnahme der Härte und des mechanischen Moduls aufgrund von Sorption und Plastifizierung als Hauptfaktoren für eine Zunahme der Verschleißrate in der Mischreibung bestätigt wurden.
Das Ablegen von Schmierstoff auf einer Oberfläche führt zur Ausbildung eines charakteristischen Tropfens oder eines Films. Die Größe dieses Tropfens hängt von der Wechselwirkung der Flüssigkeit mit dem Substrat ab. Aus den Kontaktwinkeln mehrerer Flüssigkeiten auf einer Oberfläche kann die Oberflächenenergie berechnet werden. Zudem können die Schmierstoffeigenschaften bestimmt werden, indem diese auf mehreren bekannten Oberflächen abgelegt werden. Der Kontaktwinkel ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Kohäsions-, Oberflächen- und Grenzflächenenergie. Werden nun die Schmierstoffe mit den Polymeren kombiniert ergeben sich daraus Interaktionstendenzen, in Form von Spreiten oder „Solving“. Spreiten bedeutet, die Triboparter werden durch den Schmierstoff im Spalt voneinander getrennt, was zu geringerer Reibung führt, da die Rauheitsspitzen weiter voneinander entfernt sind. Solving steht für das Eindringen des Schmierstoffs in das Polymer und liefert damit wichtige Hinweise auf Erweichungs- oder Erhärtungseffekte und damit auf veränderte Reibungsbedingungen und Verschleiß bzw. Materialtransfer.
Für eine hochaufgelöste Analyse des Übergangs von Haften zu Gleiten wird eine Tribomesszelle eines Rheometers verwendet, die Hertz`sche Kugelkontakte bildet. Mit diesem zunehmend verbreiteten Test kann auch das Reibverhalten des Systems von der Grenzreibung bis zur elastohydrodynamischen Reibung (Stribeck-Kurve) charakterisiert werden.
In Open Access Veröffentlichungen im Journal Lubricants MDPI beschreiben wir das Reibverhalten in Abhängigkeit des Schmierstoffs und für alle Geschwindigkeitsbereiche.
Abdel-Wahed, S. A.; Koplin, C.; Jaeger, R.; Scherge, M., On the transition from static to dynamic boundary friction of lubricated PEEK for a spreading adhesive contact by macroscopic oscillatory tribometry, Lubricants 5/3 (2017) Art. 21, 9 Seiten
http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-470474.html
Koplin, C.; Abdel-Wahed, S.; Jaeger, J.; Scherge, M., The transition from static to dynamic boundary friction of a lubricated spreading and a non-spreading adhesive contact by macroscopic oscillatory tribometry, Lubricants 7/1 (2019) Art. 6, 14 Seiten
http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-531050.html
Naturkautschuk ist hinsichtlich seiner mechanischen und tribologischen Eigenschaften unerreicht und ist z.B. für hochbeanspruchte Reifen (Flugzeuge, Baustellenfahrzeuge) das „Elastomer der Wahl“. Naturkautschuk kristallisiert unter Dehnung – diese Neigung ist ausgeprägter als bei Synthesekautschuken und einer der Gründe für seine guten Eigenschaften. Biologische Begleitstoffe, die im Naturkautschuk enthalten sind, tragen zu seiner Dehnungskristallisation bei. Im Fraunhofer-Projekt BISYKA wurde untersucht, ob diese biologischen Begleitstoffe eine vergleichbare Verbesserung der Werkstoffeigenschaften bewirken können, wenn sie hoch stereoregulären Synthesekautschuk beigesetzt werden. Am Fraunhofer IWM wurde die Abriebresistenz dieser neuen Elastomermuster untersucht. Die tribologische Herausforderung war, einen Abriebtester zu entwickeln, der auch anhand kleiner Probenmengen belastbare Aussagen zum Abrieb von Reifenelastomeren machen kann. Dies ist mit der Entwicklung eines „Drei-Kugel-Tribometers“ zur Untersuchung des Ermüdungsverschleiß gelungen, und hat zur Entwicklung eines bioidentischen Synthesekautschuks beigetragen, der die Eigenschaften des Naturkautschuks sogar geringfügig übertroffen hat.
Elastomere sind im Betrieb oxidativen Belastungen ausgesetzt, sei es durch den Luftsauerstoff oder durch Ozon (O3), welches sich in der Atmosphäre befindet. Insbesondere Ozon kann als starkes Oxidationsmittel zu Rissbildung und zum Versagen des Materials führen. Je nach Elastomer und Additivierung ist das Material mehr oder weniger stark anfällig für eine oxidative Alterung. Die Beschreibung der Schädigungsentwicklung ist für Vorhersagen der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit sehr wichtig. Üblicherweise wird eine Ozonbeständigkeit bei verschiedenen Bedingungen (z.B.: Temperaturen, Feuchtigkeit, mechanische Beanspruchung) in einer Ozonkammer ermittelt. Meist tritt die Schädigung durch oxidative Alterung erst bei mechanischer Belastung auf. Das Wechselspiel von Ozonbelastung und tribologischer Beanspruchung, also der direkte Einfluss von Ozon auf Reibung und Verschleiß, ist bisher wenig untersucht.
Daher haben wir am IWM ein 3-Kugel-Tribometer für Versuche unter Ozonbelastung ausgerüstet. Das Tribometer simuliert den Ermüdungsverschleiß von Elastomeren, wie er zum Beispiel am rollenden Reifen auftritt; mit dem modifizierten Aufbau soll der Einfluss von Ozon auf Ermüdungsverschleiß und ggf. tiefergehende Ermüdungsrisse untersucht werden. In einem ersten Ansatz konnte gezeigt werden, dass für eine Auswahl marktüblicher Elastomere Ozon zu einem sichtbar größeren Verschleiß führt. Je nach Elastomer fiel der Verschleiß unterschiedlich stark aus.
Wie kann das Reibungsverhalten von strukturierten Oberflächen von Elastomeren und Gummis schematisch eingeordnet werden? Gibt es hierzu Kennwerte?
Reibung von Elastomeren und Gummi war schon immer etwas Besonderes und ist es heute immer noch. Adolf Schallamach hat mit der wissenschaftlichen Beschreibung schon vor über 50 Jahren begonnen. Bis heute wird auf diesem Gebiet geforscht, da die Materialien ein komplexes nichtlineares Verhalten aufweisen.
Da Elastomere die besondere Eigenschaftskombination, der höchsten Anpassungsdeformation bei geringer Verschleißneigung, aufweisen, lohnt es sich bis heute nach neuen Möglichkeiten zu forschen, um das Reibungsverhalten zu verändern, zu optimieren oder anzupassen.
Ihre Reibung wird unter anderem über die Oberflächenelastizität und die adhäsive Energie der Oberfläche bestimmt, kann aber auch über eine Strukturierung der Oberfläche verändert werden.
Für industrielle Abformung von Oberflächenstrukturen haben wir am Mikrotribologiezentrum des Fraunhofer IWM (Christof Koplin und Alexander Fromm), mit unseren Kollegen von der Hochschule Esslingen (Dennis Weißer und Matthias Deckert), eine Erhöhung und Anisotropie der Reibung durch geprägte Nanostrukturen und die Erniedrigung und Anisotropie der Reibung durch geprägte Mikrostrukturen nachgewiesen. Nach einer exemplarischen Abformung der Haut einer Kettennatter haben wir feststellen können, dass die Reibung einer Bewegung vorwärts und in rückwärts bereits gegen einen glatten Kontakt unterschiedlich ist. Was einer Schlange die Bewegung vereinfacht, ist auch technisch interessant.
Es lohnt sich unsere Veröffentlichung anzusehen:
Koplin, C.; Weißer, D:F.; Fromm, A.; Deckert, M.H., Stiction and friction of nano- and microtextured liquid silicon rubber surface formed by injection molding, Applied Mechanics 3/4 (2022) 1270-1287
https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/430952
Zur Reduktion der Reibkräfte wird bei Elastomerdichtungen in der Regel das Prinzip des Abhebens der Dichtlippe über die Fliehkraft ausgenutzt. Dieses führt bei höheren Drehzahlen zu einem fast reibungsfreien Betrieb, bei niedrigeren Drehzahlen ist jedoch ein entsprechend hoher Anpressdruck nötig, um zuverlässig abzudichten. Dieser erhöhte Anpressdruck führt zu hohen Reibungen und Verschleiß und gleichzeitig zu einem verspäteten Abheben oder gar keinem Abheben der Dichtung. Insbesondere bei großen Dichtungen mit großen Verwindungen wie im Windkraftbereich, die teilweise Durchmesser von über 1,5 m aufweisen, kann nur mit einem sehr großen Anpressdruck eine Dichtigkeit über den gesamten Betrieb gewährleistet werden.
Sehr harte und reibarme Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) können helfen, einerseits die Reibung zu senken und andererseits die Verschleißfestigkeit deutlich zu erhöhen. Allerdings sind DLC Schichten in sich spröde und können von sich aus den Dehnungen der Elastomere nicht folgen, ohne zu reißen. Die Schichten „schwimmen“ dann wie ein Schuppenpanzer auf dem Material. Die Größe der Schuppen wird dabei von den Schichteigenschaften bestimmt. Größere Druckeigenspannungen können z.B. zu großen Verwölbungen und Undichtigkeiten führen. Im Tribokontakt werden die Schuppen immer kleinteiliger und begrenzen die Lebensdauer der Dichtungen.
Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (das µTC) eine Kombination aus angepassten Elastomeren, einer Laserstrukturierung sowie einer entsprechenden DLC Beschichtung entwickelt, welche den Reibwert der Dichtungen senkt, den Einsatzbereich der Dichtungen (Lasten, Temperaturen) deutlich erweitert und die Lebensdauer erheblich verlängert.
Hierbei hilft vor allem die Kombination aus Beschichtung und der Strukturierung der Elastomere. Die Laserstrukturen bestimmen dabei, wie die DLC Schichten unter starker Dehnung reißen, ohne dass dabei das Elastomer beschädigt wird oder die DLC Schicht sich in zu kleine DLC „Schuppen“ aufspaltet. Sowohl in Zugversuchen wie auch in tribologischen Tests blieben die DLC Schichten auch bei 25 % Dehnung und mehr völlig intakt, der Effekt, dass sich über die Zeit immer kleinere DLC „Schuppen“ ausbilden, was sonst oft zu einer verkürzten Lebensdauer führte, bleibt aus. Die eingebrachten Laserstrukturen erfüllen dabei mehrere Zwecke. Einerseits bestimmen die Strukturen, wie und wo sich entsprechende Entlastungsrisse unter Dehnung in der DLC Schicht bilden. Zum zweiten verhindern die Strukturen ein Aufwölben der DLC Schichten auf Grund der hohen Eigenspannungen auf dem Elastomer. Somit sind deutlich dickere DLC Beschichtungen auf Elastomeren möglich, ohne dass die Elastomerdichtungen im Einsatz undicht werden. Gleichzeitig dienen die Strukturen auch als Schmierstoffreservoir, so dass es gerade in schlecht geschmierten Systemen zu einer deutlich besseren Schmierstoffverteilung auf den Dichtflächen kommt.
Die Kombination aus an Beschichtungen und Strukturierungen anpasste Elastomere, einer entsprechenden Strukturierung sowie einer Hochleistungsschicht ermöglichen deutlich nachhaltigere Dichtungssysteme, so können z.B. deutlich umweltfreundlichere und nachhaltigere Elastomere bei gleichen oder sogar deutlich besseren Einsatzeigenschaften eingesetzt werden und gleichzeitig noch die Betriebsbedingungen bezüglich Einsatzlasten, Reibung und Lebensdauer deutlich verbessert werden.
Vogel, S.; Brenner, A.; Schlüter, B.; Blug, B.; Kirsch, F.; Roo, T. van, Laser structuring and DLC coating of elastomers for high performance applications, Materials 15/9 (2022) Art. 3271, 13 Seiten
Vibratorische Anregungen durch das Gleiten von Kunststoffen auf glatten Oberflächen sind meist elastische Schwingungsanregung der Konstruktion, des Aufbaus und der Komponenten. Für manche Kunststoffe können aber auch Gleitwellen, die im tribologischen Kontakt zum Reibpartner entstehen, hörbare und oft störende Geräusche verursachen. Diese Quietschgeräusche sind auf komplexe Weise von der Pressung, der Gleitgeschwindigkeit, der Temperatur und der Feuchte abhängig. Mit einem spezifisch für die Detektion von Schwingungsanregungen ausgelegtem Tribometer können akustische Emissionen durch Reibkontakt und tribologisch belastete Komponenten untersucht werden.
Biologische Tribosysteme (beispielsweise Gelenke, Sehnen oder Zähne) sind in vieler Hinsicht technischen Tribosystemen überlegen: Sie zeichnen sich in der Regel durch niedrige Reibwerte und niedrigen Verschleiß aus. Das Reibverhalten von Hydrogelen zeigt in einigen Aspekten Ähnlichkeiten mit dem Reibverhalten des Knorpels, weswegen Hydrogele als potenzielle Knorpelersatzmaterialien diskutiert werden. Wir beschäftigen uns mit mechanischen und tribologischen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Hydrogelen mit dem Ziel der Bewertung ihrer möglichen Einsatzbereiche. Untersuchte Systeme umfassen Poly(vinylalkohol)-Kryogele und hydrogel-infiltrierte Netzwerke bakterieller Nanozellulose (BNC).
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM