Tribology Innovation Center Dresden (TICD)

In Zeiten globaler Anstrengungen zur Minderung des klimaschädlichen CO₂-Ausstoßes spielt das Thema Reibung eine oft unterschätzte Rolle, gehen doch in verschiedensten Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen bis zu 20 Prozent der eingesetzten Primärenergien unnötigerweise durch Reibarbeit verloren. Dazu kommt das Problem des tribologischen Verschleißes von Werkzeugen und Komponenten, denn dieser limitiert in etlichen Anwendungen die Lebensdauer von Anlagen bzw. bedingt Ausfall- und Wartungszeiten und sorgt für einen hohen Ressourcenverbrauch.

Im Tribology Innovation Center Dresden (TICD) forscht das Fraunhofer IWS gemeinsam mit der TU Dresden an tribologischen Grundlagenphänomenen sowie geeigneten tribologischen Maßnahmen, vor allen durch Beschichtungen oder andere Oberflächenmodifikationen. Ziel ist eine drastische Verringerung von Reibung und Verschleiß, wobei die gefundenen Lösungen möglichst universell einsetzbar sein sollen. Beachtet wird dabei, dass die entwickelten Technologien serientauglich sind und direkt in der Produktion von Komponenten und Werkzeugen genutzt werden können. 

Im Mittelpunkt steht die so genannte ta-C-Schicht (tetraedrischer amorpher Kohlenstoff), die härteste Variante aus der Gruppe der diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC). Strukturell und chemisch bedingt kombiniert sie extrem hohe Härte mit sehr geringer Reibung unter nahezu allen Bedingungen. Diese Kombination prädestiniert die ta-C-Beschichtung für zahlreiche Anwendungen von Komponenten und Werkzeugen in den unterschiedlichsten Branchen.

Das am Fraunhofer IWS entwickelte Laser-Arc-Verfahren zur ta-C-Beschichtung ist mittlerweile industriell etabliert und wird in der Serienproduktion von ta-C-Schichten eingesetzt. Ein grundsätzliches Problem ist die Partikel-bedingte Rauheit der Schichten. Aktuell wird an einer neuen Generation von Plasmafiltern gearbeitet, um nahezu defektfreie ta-C-Schichten abzuscheiden.

Mehrere Projekte widmen sich der supraniedrigen Reibung mit ta-C-Schichten. Hierzu werden Lösungen entwickelt, die das bisher nur im Tribometer beobachtete Phänomen der Supraschmierung in maschinenbauliche Anwendungen übertragen (CHEPHREN, SUPRASLIDE).

Auch für kritische Umgebungsbedingungen (trocken bis Vakuum) werden Schichtsysteme auf Basis von ta-C mit verschiedenen Dotierstoffen (ta-C:X) hergestellt. Hier zeigt sich insbesondere eine Kombination von ta-C mit dem Festschmierstoff MoS₂ als vielversprechend. Geeignete Hybrid-Schichtsysteme werden im Projekt LUBRICOAT entwickelt.

Der Laser als Werkzeug ist in der Lage, die Topografie von Bauteiloberflächen mikrometergenau definiert zu gestalten. Mittels Laserstrukturierung können zwei- und dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen aufgebracht und damit das tribologische Verhalten von Gleitflächen gezielt verändert werden. Dies geschieht entweder über die Beeinflussung der Benetzung und des viskositätsbedingten Schmierfilmaufbaus, die Reservoirwirkung von Mikro-Schmierfilmtaschen, Hydrodynamik oder Öl-Leitstrukturen.

Der Strukturierungsprozess kann durch die Wahl der richtigen Wellenlänge und Pulsdauer an das zu bearbeitende Material und an die Oberfläche angepasst werden. Mit dem direktschreibenden Verfahren können flexibel frei gestaltete Oberflächenstrukturen generiert werden. Durch die Überlagerung von mehreren Teilstrahlen aus einer Laserquelle und dem entstehenden periodischen Interferenzmuster im Überlagerungsvolumen erlaubt das direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) das Erzeugen von bis zu einer Million Strukturen pro Laserpuls. Hierdurch gelingt es, in kürzester Zeit großflächig laserstrukturierte Oberflächen auf tribologischen Bauteilen und Komponenten, zum Beispiel Lagerscheiben und Kolbenringen, aufzubringen und damit das Verfahren in der Serienfertigung wirtschaftlich einzusetzen.

Neben dem Schwerpunkt anwendungsspezifische Schichtentwicklung und Reibungsminimierung wird am TICD auch umfassend zu den Grundlagen der tribologischen Charakterisierung geforscht. Großer Wert wird darauf gelegt, reale Beanspruchung durch geeignete Geometrien und Prüfparameter abzubilden. Dabei kann auch in verschiedene Atmosphären, bis einschließlich Ultrahochvakuum, geprüft werden. 

Mit der tribologischen Analyse einher geht die umfassende Schicht- und Oberflächenanalyse. Es stehen am TICD alle gängigen Methoden der grundlegenden Schicht- und Oberflächenanalyse zur Verfügung – angefangen von der mechanischen Grundcharakterisierung über Topografie-/Rauheitsanalysen bis hin zu Haftfestigkeitstests sowie Elektronenmikroskopie, Raman-Spektroskopie und Röntgenreflektometrie für chemische und strukturelle Analysen.

Ein zweiter Schwerpunkt ist die Forschung zu neuen Methoden der tribologischen Charakterisierung, der Tribometrie. Aktuelle Themen sind die Untersuchung des Schmierungszustands mittels hochaufgelöster Messung des komplexen elektrischen Widerstands, die Visualisierung von zeit- und ortsaufgelösten Informationen (Triboskopie) und die messtechnische Erfassung von Supraschmierung in bauteilähnlicher und anwendungsnaher Geometrie. 

Reibung, Schmierung und Verschleiß beeinflussen die Energieeffizienz und den CO₂-Fußabdruck von Maschinen und Motoren maßgeblich. Welchen Beitrag die Tribologie in der Energiewende leisten kann und welche Rolle die Vernetzung zwischen Forschung und Industrie dabei spielt, erklärt Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Kohlenstoffschichten am Fraunhofer IWS. 

Durch Ultraschmierung lassen sich die Reibungsverluste in Verbrennermotoren im Vergleich zum heutigen Stand der Technik halbieren. Der Reibungskoeffizient liegt dann zwischen 0,01 und 0,05. Das entspricht etwa der Reibung von ganz glattem Stahl, der auf Eis rutscht.

Von Supraschmierung sprechen Fachleute dagegen erst, wenn der Reibungskoeffizient unter 0,01 sinkt. Um das zu veranschaulichen, kann man sich einen fünf Tonnen schweren Elefanten vorstellen, der auf einer Platte steht. Ist diese suprageschmiert, könnte ein Mensch diesen Elefanten mühelos davonschieben.