Verkürzung von Entwicklungszeiten durch Korrelation, Modellierung und Simulation unterschiedlicher Versuchskategorien in der Qualifikation von Kunststoff/Metall-Tribosystemen
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die durchgeführten tribologischen Untersuchungen machen deutlich, dass die erreichbare tribologische Leistungsfähigkeit hybrider Kunststoffcompounds erheblich von der makroskopischen Geometrie des tribologischen Systems beeinflusst wird. So wurden in der anwendungsorientierten Bended-Plate-on-Ring-Konfiguration erheblich niedrigere Reibungskoeffizienten gemessen als in der abstrakteren Block-on-Ring-Prüfung. Zugleich ist das tribologische Verhalten stark vom Zusammenspiel der in den Compounds enthaltenen Füll-, Verstärkungs- und Schmierstoffe abhängig. Die Ermittlung richtungsabhängiger Materialmodelle, speziell hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit, für derartige hybride Tribowerkstoffe erweist sich aufgrund der Vielzahl der enthaltenen dispersen Komponenten als herausfordernd. Mit einem von den Autoren modifizierten analytischen Ansatz konnte die Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Compounds mit praxistauglicher Genauigkeit abgeschätzt werden. Aufgrund der für die analytische Modellierung notwendigen Vereinfachungen bleibt die erreichbare Genauigkeit jedoch begrenzt. Numerische Modellierungsmethoden können die Interaktion mehrerer Füllstoffe grundsätzlich besser erfassen als analytische Ansätze. Aufgrund der Vielzahl relevanter Einflussgrößen, die nicht allesamt experimentell ermittelt oder anderweitig in Erfahrung gebracht werden können, verbleibt auch bei der numerischen Homogenisierung eine Unsicherheit. Zudem muss für die numerische Homogenisierung ein erheblicher Modellierungs- und Rechenaufwand betrieben werden, wobei gerade die Homogenisierung mittels FEM mit langen Rechenzeiten einhergeht. RVE-Rechnungen mit FEM zur Homogenisierung sind somit nur sinnvoll, wenn sehr mächtige Werkzeuge sowohl zur Erzeugung der Netze, als auch zur Lösung der FE Modelle verfügbar sind. Die Berechnungsmethode von GeoDict mit regulären Gittern ist als kommerzielles Tool verfügbar und damit ausgefeilter und besser an den Typ des Problems angepasst. Die thermische Modellierung tribologischer Standardprüfstände wurde intensiv untersucht. Dabei stand besonders die Identifikation geeigneter Randbedingungen im Mittelpunkt. Durch die thermischen Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass die Anisotropie der untersuchten Compounds bei der Prüfung im Block-on-Ring-Verfahren nur einen geringen Einfluss auf den Wärmehaushalt und die resultierenden Kontakttemperaturen ausübt. Im Bended-Plate-on-Ring-Versuch ist der Einfluss der Anisotropie aufgrund der unterschiedlichen Prüfstandsgeometrie jedoch nicht vernachlässigbar. Durch die Ergänzung der tribologischen Versuche durch thermische Simulationen wird über die verschiedenen Prüfstandskonzepte hinweg eine Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten von der Kontakttemperatur erkennbar. Eine Möglichkeit, diese Abhängigkeit experimentell zu untersuchen, stellen Temperatursteigerungsversuche dar, bei denen der Gegenkörper aktiv beheizt wird. Diese könnten künftig zu einem Verfahren weiterentwickelt werden, um das anwendungsbezogene Verhalten tribologischer Compounds bereits in standardisierten Versuchen mit größerer Zuverlässigkeit vorherzusagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Kennwertermittlung für die Simulation kunststoffbasierter tribologischer Systeme. DGM Fachausschuss Polymerwerkstoffe, Kassel, 15. November 2018
Ecke, N.; Höller, J.; Niedermeyer, J.; Klein, P.; Schlarb, A.K.
- Simulation hybrider Tribocompounds mittels homogenisierter Materialmodelle. 59. Tribologie-Fachtagung, Göttingen, 25. September 2018
Ecke, N.; Höller, J.; Niedermeyer, J.; Klein, P.; Schlarb, A.K.
- Temperaturberechnung in Gleit- und Wälzkontakten. 2. VDI-Fachkonferenz Hochleistungs-Kunststoffzahnräder, München, 12. September 2018
Ecke, N.; Schlarb, A.K.
- An adaptation of the Lewis-Nielsen equations for the thermal conductivity of short fiber reinforced hybrid composites. Materials Today Communications (2019)
Ecke, N.C.; Höller, J.; Niedermeyer, J.; Klein, P.; Schlarb, A.K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2019.100632) - Influence of the heat balance in polymer-based tribological Systems. ITC Sendai 2019, Sendai, 19. September 2019
Ecke, N.; Höller, J.; Niedermeyer, J.; Klein, P.; Schlarb, A.K.
- Modeling and Simulation of Temperature in Polymer based Tribological Systems. 1st International Conference on Modeling and Simulation on Engineering, Science and Technology (ICOMSEST), Kuala Lumpur, 21.-22. Februar 2019
Schlarb, A.K.; Ecke, N.; Höller, J.; Klein, P.; Niedermeyer, J.
- Thermal simulation of anisotropic PEEK-based tribocomposites. 3rd International Conference on High Performance Plastic Gears, Garching bei München, 18. September 2019
Ecke, N.; Kamerling, S.; Höller, J.; Niedermeyer, J.; Klein, P.; Schlarb, A.K.
