Steuerbare Reibung in geschmierten Systemen durch Multi-Skalen Strukturierung mittels Laser-Interferenz und Mikroprägen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200417205

Eine gezielte Oberflächenstrukturierung kann in geschmierten Maschinenelementen Reibung und Verschleiß reduzieren und somit zu einer Effizienzsteigerung, Lebensdauerverbesserung und Schmierstoffeinsparung führen. Die Form, Dimension und Abstände der Struktur müssen auf das tribologische System ausgelegt werden, wodurch allgemeine Aussagen bezüglich einer optimalen Struktur erschwert werden.In der ersten Förderperiode wurden mittels Laserinterferenz, Mikroprägen und einer Kombination (Multi-Skalen Strukturierung) Strukturen auf ebenen Oberflächen erzeugt und mit einem Labortribometer auf ihre tribologischen Eigenschaften überprüft. Die Untersuchungen zeigen, dass unter hydrodynamischen bzw. Mischreibungsbedingungen laser-texturierte Oberflächen mit einem Kreuzmuster die Schmierfilmlebensdauer erhöhen und den Verschleiß reduzieren während hemisphärische Prägestrukturen im Grenz- bzw. Mischreibungsregime zur Verschleißreduktion führen.Neben dem Einsatz von Strukturen im Tribokontakt können diese auch außerhalb verwendet werden, um gezielt Schmierstoff in den Kontaktbereich zu transportieren oder diesen am Austritt zu hindern. Bei Anwendungen mit hohen Pressungen wären die feinen Strukturen vor Zerstörung geschützt und Mangelschmierungszustände könnten vermieden werden. Durchgeführte Vorarbeiten zeigen, dass mithilfe von Texturen (insbesondere multiskaligen Texturen) gezielt Einfluss auf das Benetzungs- und Spreizungsverhalten genommen und eine Steuerung des Schmiermitteltransports ermöglicht wird.Unter Berücksichtigung der Voruntersuchungen können die Ziele des Forschungsantrags definiert werden zu:1. Übertragung der für ebene Oberflächen erlangten Erkenntnisse und aufgezeigten Verbesserungen bei der Verwendung von multiskaligen Strukturen auf einen Anwendungsfall mit einer zylindrisch gekrümmten Oberfläche (bspw. Gleitlager)2. Untersuchung des Struktureinflusses (Laser, Prägen und Multi-Skalen) auf den passiven Schmierstofftransport infolge der Oberflächentopographie und in Abhängigkeit eines Temperaturgradienten sowie die Übertragung der Erkenntnisse auf einen Anwendungsfall (bspw. Wälzlager)Hierzu werden Versuchsaufbauten zur Strukturierung von zylindrischen Oberflächen konzipiert und erprobt. Zur Auslegung und Untersuchung des Umformprozesses werden Simulationen durchgeführt. Die Oberflächencharakterisierung der hergestellten Proben werden topographisch (Strukturausprägung und Rauheit) sowie mikrostrukturell (REM, EBSD, TEM) durchgeführt. Die tribologische Überprüfung der Proben erfolgt als Dienstleistungsauftrag am IME der RWTH Aachen. Für die Untersuchung des passiven Schmierstofftransports werden Simulationen und Grundlagenversuche an ebenen strukturierten Oberflächen durchgeführt, um das Modell zu validieren und eine Vorauswahl an Strukturen zu bestimmen. Vielversprechende Strukturen werden abschießend auf ein Konstruktionselement übertragen und tribologisch überprüft.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1551: Ressourceneffiziente Konstruktionselemente