31.08.2017
TU Kaiserslautern erforscht feste Schmiersysteme
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Schmiermittel wie Öle und Fette verringern in Getrieben Reibung und Verschleiß – im Vakuum des Alls etwa geraten sie aber an ihre Grenzen. Festschmierstoffe, die auf die Oberflächen von Bauteilen aufgebracht werden, können hier eine Alternative darstellen. Eine Forschergruppe der TU Kaiserslautern möchte nun das bisher noch mangelhafte Wissen über diese Stoffe vertiefen.
Schmiermittel sind für Maschinen wie Antriebe und Motoren unerlässlich: Sie verringern die Reibung und sorgen dafür, dass die Aggregate nicht heiß laufen. Meist handelt es sich hierbei um Flüssigkeiten, mitunter auch Gase – Experten sprechen in diesem Zusammenhang von fluiden Schmierstoffen. „Diese können aber nicht in allen technischen Systemen zum Einsatz kommen“, sagt Professor Dr. Bernd Sauer, der an der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern den Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik innehat. „Im Vakuum würden sie zum Beispiel direkt verdampfen, wie dies etwa bei der Raumfahrt der Fall ist.“
Eine Alternative stellen daher feste Schmierstoffe dar: „Sie werden auf die Oberfläche der Bauteile aufgetragen“, fährt Sauer fort. „Zwischen den beiden aufeinander reibenden Oberflächen bildet sich dabei eine Transferschicht aus. Im laufenden Betrieb kommt es durch Verschleiß fortwährend zu einem Schichtabbau. Gleichzeitig nutzt man hier aber Mechanismen, die einen erneuten oder kontinuierlichen Aufbau der Feststoffschmierschicht bewirken.“
Bislang sind solche Schmiersysteme nur für Techniken gut untersucht, bei denen es aufgrund von geringem Kontakt und Druck zwischen den Oberflächen nur zu geringen Wechselwirkungen kommt; anders sieht es jedoch bei hohen Belastungen aus, wie dies etwa bei Wälzlagern oder Zahnrädern der Fall ist. „Wir wissen wenig darüber, welche genauen chemisch-physikalischen Prozesse es hierbei an den Oberflächen gibt“, fährt Sauer fort.
Wissenslücken schließen – Potenziale freilegen
Im Rahmen des neuen Schwerpunktprogramms (SPP) „Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) möchten die Forscher untersuchen, wie sich solche Stoffe auf Mikro- und Nanoebene verhalten. Sie analysieren dabei unter anderem, wie sich verschiedene Faktoren wie Druck, Temperatur und Reibenergie auf ihre Eigenschaften auswirken.
Festschmierstoffe bieten in vielen Bereichen eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren, nicht nur in der Luft- und Raumfahrt: „Hier gab es in den 1960er Jahren erstmals Forschungsdaten, als solche Systeme für die Raumfahrt wichtig wurden“, berichtet Sauer. Auch in der Medizintechnik, dem Fahrzeugbau und der Lebensmitteltechnologie sind sie oft unabdingbar. „Bei Strahlung, sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen liefern sie häufig die einzige Lösung“, erläutert Sauer. „Aber auch bei Raumtemperatur können sie Vorteile bieten, zum Beispiel bei geringen Geschwindigkeiten, bei denen sich kein tragender Schmierfilm aufbauen kann und sich so zwischen den Bauteilen die Reibung erhöht.“ Darüber hinaus könne eine Feststoffschmierung die Effizienz und Funktionalität bei Maschinen verbessern.
Das Schwerpunktprogramm startet Mitte 2018. Von der DFG wird es zunächst für drei Jahre unterstützt; weitere drei Jahre schließen sich in einer zweiten Förderperiode an. Die Kaiserslauterer Ingenieure werden im Rahmen des SPP interdisziplinär mit Kollegen aus Aachen, Karlsruhe, Wien und weiteren Standorten zusammenarbeiten. Ziel ist es unter anderem, verschiedene Simulations- und Analysemethoden aus Maschinenbau, Materialforschung, Physik und Chemie zu nutzen und zu vernetzen, die komplexen Zusammenhänge der festen Schmierstoffe zu analysieren und auch neue Schmiertechniken zu entwickeln. Koordiniert wird das Schwerpunktprogramm von Professor Sauer in Kaiserslautern.
Melanie Löw ist an der TU Kaiserslautern im Bereich der Hochschulkommunikation tätig.