Numerische und experimentelle Analyse von Oberflächentexturen – reproduzierbares und robustes Design von Texturen in konformen Kontakten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel; Professor Dr. Peter Gumbsch
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438122912

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine Vielzahl von Forschungsarbeiten haben für strukturierte Oberflächen ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der tribologischen Leistung von technischen Elementen unter Flüssigkeitsschmierung aufgezeigt. In der Literatur wurde jedoch über sehr unterschiedliche Ergebnisse in Bezug auf die optimale Texturform berichtet, die in vielen Fällen jedoch nicht durch numerische Simulationen gestützt werden konnten. Einer der wichtigsten Einflussfaktoren für die widersprüchlichen Ergebnisse ist die Tatsache, dass diese Studien oft mit unterschiedlichen Versuchskonfigurationen durchgeführt wurden, bei denen die Makrogeometrie der Prüfkörper im konformen Kontakt nicht vergleichbar war. Das vorliegende Forschungsprojekt bewertet die Auswirkungen von Makrogeometrie und Oberflächentexturen durch einen gekoppelten experimentell-numerischen Ansatz unter Verwendung eines digitalen Zwillings für einen realen Stift-Scheibe-Versuchsaufbau. Die Ergebnisse zeigen, dass die Makrogeometrie einen signifikanten Einfluss auf das Reibungsverhalten unter ölgeschmierten Bedingungen haben kann und so zum Teil auch den Einfluss von Texturelementen übergewichtet werden kann. Die numerische Studie zeigt eine gute Übereinstimmung des Reibungsverhaltens für Experimente mit untexturierten Probekörpern. Darüber hinaus wird die Eignung numerischer Modelle zur Nachbildung der zugrundeliegenden reibungsmindernden Mechanismen der Texturen diskutiert und die Anwendbarkeit von Simulationen zur Optimierung des Texturdesigns bewertet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An EHL extension of the FBNS algorithm, presentation at the 7th World Tribology Congress (WTC), Lyon, Jul. 2022
  E. Hansen, B. Frohnapfel & A. Codrignani
  
• An EHL Extension of the Unsteady FBNS Algorithm. Tribology Letters, 70(3).
  Hansen, Erik; Kacan, Altay; Frohnapfel, Bettina & Codrignani, Andrea
  
• Numerical and experimental analysis of surface textures – towards a reproducible and robust design of textures in conformal contacts, poster at the 7th World Tribology Congress (WTC), Lyon, Jul. 2022
  G. Vaitkunaite, E. Hansen, J. Schneider, B. Frohnapfel & P. Gumbsch
  
• 'MATLAB solver for the deformation of an elastic half-space based on the Boundary Element Method (BEM)’, last commit on 21.11.2023
  E. Hansen
  
• Effect of height waviness on the friction behavior of 100Cr6 steel under mixed or hydrodynamic lubrication, presentation and conference paper at the 64th German Tribology Conference, Göttingen, September 2023
  H. Yue, G. Vaitkunaite, Y. Li, J. Schneider, C. Greiner & P. Gumbsch
  
• Establishment and Calibration of a Digital Twin to Replicate the Friction Behaviour of a Pin-on-Disk Tribometer. Lubricants, 11(2), 75.
  Hansen, Erik; Vaitkunaite, Gerda; Schneider, Johannes; Gumbsch, Peter & Frohnapfel, Bettina
  
• Numerical Analysis of Friction Reduction due to Surface Textures in the Mixed Lubrication Regime, Dissertation, KIT
  E. Hansen
  
• Scaling of Friction Behaviour in the Mixed Lubrication Regime through a Modified Hersey Number, presentation at the 77th STLE Annual Meeting & Exhibition, Long Beach, May 2023
  E. Hansen, G. Vaitkunaite, J. Schneider, P. Gumbsch & B. Frohnapfel
  
• ‘EHL-FBNS Solver’, last commit on 21.11.2023
  E. Hansen
  
• ‘Exemplary code and data files for the submission of the article “Establishment and Calibration of a Digital Twin to Replicate the Friction Behaviour of a Pin-on-Disk Tribometer” in Lubricants’, 16.01.2023
  E. Hansen
  
• The Influence of Pin Inclination on Frictional Behavior in Pin-on-Disc Sliding and Its Implications for Test Reliability, presentation at the Tribology International conference 2024, Vienna, April 2024
  H. Yue, J. Schneider, B. Frohnapfel & P. Gumbsch
  
• The influence of pin inclination on frictional behaviour in pin-on-disc sliding and its implications for test reliability. Tribology International, 200, 110083.
  Yue, Hongzhi; Schneider, Johannes; Frohnapfel, Bettina & Gumbsch, Peter