Reibungsreduzierung in geschmierten tribologischen Kontakten durch mikrotexturierte Bauteiloberflächen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein; Professor Dr.-Ing. Stephan Tremmel
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426217784

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Um die Energie- und Ressourceneffizienz technischer Systeme in Zukunft weiter steigern zu können, kommt der tribologischen Optimierung von Kontakten eine besondere Bedeutung zu. Eine wirksame Möglichkeit, Reibung zu reduzieren, besteht in einer Texturierung der Oberfläche der Bauteile. Konventionell erfolgt die Herstellung metallischer, oberflächentexturierter Komponenten mittels abtragender und hinzufügender Verfahren, die jedoch durch lange Prozesszeiten und hohe Kosten limitiert sind. Diesen inkrementellen Konzepten der Texturierung stehen Verfahren der Umformtechnik gegenüber, die besonders dank kurzer Taktzeiten einen vielversprechen Ansatz darstellen. Um jedoch das vollständige Potential auszuschöpfen, fehlt ein grundlegendes Prozessverständnis für kombinierte Umformprozesse, die eine einstufige Herstellung einsatzfertiger, texturierter Komponenten ermöglichen. Gleichzeitig müssen die Texturen auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden, da ungeeignete Texturen keinen tribologischen Mehrwert bieten und im schlimmsten Fall zu einer Verschlechterung des Reibungs- und Verschleißverhaltens führen können. Aufgrund des hohen experimentellen Aufwands zur Ermittlung der optimalen Textur können numerische Methoden angewandt werden, um diese bereits im Vorhinein auslegen zu können. Die übergeordnete Zielsetzung des Forschungsvorhabens, welches als Erkenntnistransferprojekt konzipiert war, lag in der Erweiterung des Prozessverständnisses für mikrotexturierte Bauteile in einem ganzheitlichen Ansatz, beginnend mit der numerischen Auslegung, über die Fertigung, hin zum Produkteinsatz und der experimentellen Validierung der Simulationen. Es galt, die im Schwerpunktprogramm 1551 erarbeitete Methodik zur numerischen Auslegung und Gestaltung von Oberflächemikrotexturen weiterzuentwickeln und anhand praxisnaher tribologischer Versuche zu validieren. Des Weiteren sollten Grenzen der Fertigungsverfahren verschiedener Prozessklassen identifiziert und erweitert werden. Es konnte im Projekt gezeigt werden, dass neben den klassisch verwendeten Schnellarbeitsstählen besonders auch pulvermetallurgische Werkzeugstähle zur Mikrotexturierung geeignet sind. Grundlegend sind für die Texturierung durch kombinierte Umformprozesse solche Verfahren auszuwählen, die eine weitgehende Ausformung des Grundkörpers vor dem Texturierungsschritt ermöglichen. Dies erhöht im Allgemeinen die Präzision des Prozesses. Für die numerische Auslegung der Texturen wurden die Simulationsmodelle weiterentwickelt und erfolgreich validiert. Es ließ sich zeigen, dass die optimalen Texturmuster stark von den Kontaktbedingungen abhängig sind und dass eine lokal optimierte Textur durchaus Vorteile bringen kann. In abschließenden Prüfstandversuchen konnte gezeigt werden, dass die numerisch „optimalen“ Texturen verglichen mit nicht optimalen Texturen ein signifikant verbessertes Reibungsverhalten aufweisen. Durch Aufbringen einer zusätzlichen amorphen Kohlenstoffschicht konnte zudem der Verschleiß an den Texturen effektiv verhindert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Transient EHL-simulation of a cam-tappet contact considering edge effects and roughness influence. 4th young tribological researcher symposium (YTRS). 8.6.2021.
  Christian Orgeldinger & Stephan Tremmel
  
• Tribologische Kontakte verstehen und optimieren: Ein numerischer Ansatz zur Berechnung hochbelasteter TEHD-Kontakte. 22. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag 2021. 15.09.2021.
  Christian Orgeldinger & Stephan Tremmel
  
• Understanding Friction in Cam–Tappet Contacts—An Application-Oriented Time-Dependent Simulation Approach Considering Surface Asperities and Edge Effects. Lubricants, 9(11), 106.
  Orgeldinger, Christian & Tremmel, Stephan
  
• Investigation on micro-textured tappets from design and production to the application properties. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 237(12), 2497-2505.
  Reck, M.; Orgeldinger, C.; Tremmel, S. & Merklein, M.
  
• Investigation on tool properties for the production of components with micro textured surfaces. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1238(1), 012060.
  Reck, M. & Merklein, M.
  
• Numerical optimization of highly loaded microtextured contacts: understanding and mastering complexity. YTRS 2022 Conference. Karlsruhe.
  Christian Orgeldinger & Stephan Tremmel
  
• Reducing friction using micro-textured machine elements: An advanced simulation approach for the optimization of textured surfaces in cam-tappet contacts. NORD- TRIB 2022 Conference. 14.-17.06.2022. Alesund, Norway.
  Christian Orgeldinger & Stephan Tremmel
  
• Comparison of forming processes for micro textured cups. In: Proceedings of the 51st SME North American Manufacturing Research Conference. 2023.
  Manuel Reck & Marion Merklein
  
• Numerical optimization of highly loaded microtextured contacts: understanding and mastering complexity. Industrial Lubrication and Tribology, 75(7), 741-747.
  Orgeldinger, Christian; Rosnitscheck, Tobias & Tremmel, Stephan
  
• Wear Analysis of Micro Textured Coining Tools. In: Proceedings of the XLI. Colloquium on Metal Forming (pp. 104-109). 2023.
  Manuel Reck & Marion Merklein