Tribology Innovation Center Dresden (TICD)

Tribologische Schichten und Oberflächen – Kompetenz in Reibungsminderung und Verschleißschutz

Im Mittelpunkt des TICD steht die Entwicklung reibungsreduzierender Schichten und Oberflächen für unterschiedlichste Anwendungen, wofür das Fraunhofer IWS und die TU Dresden gemeinsam forschen.
© Fraunhofer IWS
Im Mittelpunkt des TICD steht die Entwicklung reibungs- und verschleißreduzierender Schichten und Oberflächen für unterschiedlichste Anwendungen, wofür das Fraunhofer IWS und die TU Dresden gemeinsam forschen.

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. 

Reibungsreduzierende diamantartige Schichten

Mit ta-C beschichtete Kolbenringe, mit denen die Reibung in Motoren um bis zu 50 Prozent abgesenkt werden kann.
© Fraunhofer IWS
Mit ta-C beschichtete Kolbenringe, mit denen die Reibung in Motoren um bis zu 50 Prozent abgesenkt werden kann.

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.

PVD-Verschleißschutzschichten

Mit ta-C beschichtete Vielzahnfräser zur Bearbeitung besonders abrasiver CFK-Verbundwerkstoffe.
© Fraunhofer IWS
Mit ta-C beschichtete Vielzahnfräser zur Bearbeitung besonders abrasiver CFK-Verbundwerkstoffe.
Mit AlTiN/TiN beschichtete Werkzeugschneide mit »Selbstschärfungseffekt« beim Schichtwachstum.
© Fraunhofer IWS
Mit AlTiN/TiN beschichtete Werkzeugschneide mit »Selbstschärfungseffekt« beim Schichtwachstum.

Mehrere Beschichtungstechnologien werden am Fraunhofer IWS weiterentwickelt, um in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Oberflächen von Bauteilen und Werkzeugen widerstandsfähig gegen Verschleiß zu machen.

Geeignet sind hierfür vor allem PVD-Technologien, wie das Laser-Arc-Verfahren für die superharten ta-C-Schichten oder auch die Weiterentwicklungen des klassischen DC-Arc-Verfahrens für nitridische Hartstoffschichten. Diese erlauben unter anderem die selbstschärfende Beschichtung von Werkzeugschneiden sowie die Abscheidung von Schichten bis zu 100 Mikrometern Dicke für besonders anspruchsvolle Anwendungen. Neben den etablierten Hochleistungsschichten (Metallnitride und Nanokomposite) wird aktuell an Schichtsystemen auf Basis von Hochentropie-Legierungen (sogenannte HEL-Nitride) zur weiteren Verbesserung der Schichtperformance geforscht. Hier werden vor allem Vorteile bezüglich der Temperaturbeständigkeit erwartet, was zum Beispiel höhere Schnittgeschwindigkeiten erlauben würde. 

Laserauftragschweißen und Thermisches Spritzen

Thermisches Beschichten eines Hydraulikzylinders mittels Laserauftragschweißen.
© Fraunhofer IWS
Thermisches Beschichten eines Hydraulikzylinders mittels Laserauftragschweißen.
Thermisches Beschichten einer Walze mit glatter Hartmetallschicht mittels HVOF-Suspensionsspritzen.
© Jürgen Jeibmann
Suspensions-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (S-HVOF) für glatte Keramik und Hartmetallschichten.

Mit Auftragschweißen und Thermischem Spritzen werden industrienahe und zukunftsfähige Systeme, Prozesse und Schichten im Einklang mit Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit entwickelt. Das Laserauftragschweißen ist ein sehr flexibles, prozesssicheres und wirtschaftliches Verfahren zur Funktionalisierung von Oberflächen für verschiedenste Anwendungszwecke im Korrosions- und Verschleißschutz sowie Tribologie, beispielsweise zur Beschichtung von Bremsscheiben, Hydraulikzylindern oder zur Herstellung von Gleitlagern. Die Schichten aus Metalllegierungen, Hartlegierungen oder Karbid-verstärkten Schichtsystemen sind durch eine schmelzmetallurgische Verbindung höchster Haftfestigkeit gekennzeichnet. Die Bandbreite reicht von kleinsten Strukturen bzw. Schichtdicken auf Mikrometerebene mit 100 Watt Laserleistung bis hin zu Hochleistungs-Prozessen mit mehr als 20 Kilowatt Laserleistung sowie bis zu 45 Millimeter Spurbreite bei höchsten Auftragraten.

Mit der Prozessvielfalt beim Thermischen Spritzen lassen sich Funktionsschichten aus Polymer-, Metall-, Hartmetall- und Keramik auf Bauteiloberflächen großflächig aufbringen. Die Haftung basiert im Gegensatz zum Auftragschweißen auf einer stabilen mechanischen Verklammerung zur Bauteiloberfläche, wodurch Bauteile thermisch unverändert bleiben. Die kraft- und formschlüssigen Anhaftung bietet eine Bandbreite von Werkstoffverbunden, von einer Einzelschicht (mit einer Dicke von wenigen Mikrometern bis mehreren Millimetern) über Mischschichten bis hin zu Multilagenschichten auf Bauteilen aus Metall, Polymer oder Keramik. Verschleißschutzanwendungen werden durch suspensionsgespritzte Keramik- und Hartmetallverschleißschutzschichten, die aufgrund ihrer Güte in der Nachbearbeitung Kosten einsparen, plasmagespritzte Verschleißschutzschichten auf temperatursensitiven Bauteilen wie Faserverbundkunststoffen sowie Funktionsschichten, zum Beispiel zur Wärmeleitung oder elektrischen Wärmeerzeugung, adressiert.

Laserstrukturierung

Am Fraunhofer laserstrukturiertes keramisches Gleitlager.
© Fraunhofer IWS
Am Fraunhofer laserstrukturiertes keramisches Gleitlager.

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.

Tribologische Charakterisierung

Kugel-Scheibe-Kontakt in einem Schwingverschleißtribometer.
© Dirk Mahler/Fraunhofer IWS
Kugel-Scheibe-Kontakt in einem Schwingverschleißtribometer.

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. 

Kooperationspartner

Technische Universität Dresden

© TU Dresden
Mikrostrukturiertes Metallbauteil zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften.
© Fraunhofer IWS
Mikrostrukturiertes Metallbauteil zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften.
Ionenquerschnitt durch ein Multilagenschichtsystem im Rasterelektronenmikroskop (REM).
© Fraunhofer IWS
Ionenquerschnitt durch ein Multilagenschichtsystem im Rasterelektronenmikroskop (REM).

Die Professur für Laserbasierte Methoden der großflächigen Oberflächenstrukturierung von Prof. Andrés Fabián Lasagni am Institut für Fertigungstechnik (IF) der TU Dresden arbeitet an der Entwicklung von funktionalisierten Oberflächen mittels laserbasierter Fertigungsverfahren, optischer Geräte für die Lasertexturierung im industriellen Maßstab und neuerdings auch Inline-Monitoring-Systeme. Innerhalb des TICD kooperieren das Fraunhofer IWS und die TU Dresden in gemeinsamen öffentlichen Projekten sowie bei der Zusammenarbeit mit industriellen Partnern. Die Beschichtung mit reibungsmindernden Kohlenstoffschichten – in Kombination mit einer effektiven Laserstrukturierung der Beschichtung – zeigt für viele tribologische Anwendungen ein großes Potenzial.

Highlights der Zusammenarbeit 

Als besonders erfolgversprechend hat sich die Kombination einer hybriden Beschichtung von superhartem ta-C-Kohlenstoff und dem Festschmierstoff MoS2 gemeinsam mit einer Laserstrukturierung mittels DLIP-Verfahren erwiesen. Solche Hochleistungsschichten zeigen auch unter anspruchsvollen Vakuumbedingungen extrem niedrige Reibung und nahezu keinen Verschleiß.

 

Die Professur für Werkstofftechnik von Prof. Christoph Leyens sowie die Professur für Werkstoffmechanik und Schadensfallanalyse am Institut für Werkstoffwissenschaft von Prof. Martina Zimmermann fokussieren auf ein tiefgreifendes Werkstoffverständnis als Basis ihrer Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Schichtherstellung, der Schichtanalyse und der tribologischen sowie mechanischen Charakterisierung. Die Schwerpunkte der Arbeiten liegen daher in der Aufklärung der Wechselbeziehung zwischen Struktur und Gefüge sowie den funktionellen Eigenschaften von Werkstoffen einschließlich der Schichtsysteme. 

Highlights der Zusammenarbeit 

Aktuell wird im Rahmen des regionalen Forschungsverbundes »DRESDEN-concept« gemeinsam an mehreren Themen geforscht, wie zum Beispiel an tribologischen Randschicht-Hartstoffschicht-Werkstoffverbünden mit einem tribologischen Leichtbau-Anwendungshintergrund sowie an Hartstoffschichten auf Basis so genannter Hochentropie-Alloys (HEA). Hier ergänzen sich die Kompetenzen zur PVD-Schichtherstellung, einer mikromechanischen Charakterisierung mit den neuesten Methoden der Struktur- und Gefügeanalyse sowie einem umfassenden Werkstoff-Know-how.

 

Video: 10 bis 20 Prozent der Energieverluste sind durch tribologische Maßnahmen vermeidbar

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© Projektträger Jülich

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. 

Video: Ultraschmierung und Supraschmierung

© 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.

Projekte

LUBRICOAT

Vakuumbogenabscheidung von MoS2/ta-C-Schichten und mechanisch-tribologische Prüfung, Laufzeit 06/2021–05/2025 (BMWK: FKZ: 100582372)

CHEPHREN

Ultraglatte und supraschmierende Schichten für Komponentenanwendungen, Laufzeit 09/2021–08/2024 (BMWK: FKZ: 03EN4005E)

SULUTRIB

Weiterentwicklung der Tribometrie zur Erforschung und Validierung supraniedriger Reibungsphänomene, Laufzeit 12/2020–11/2023 (BMWK: FKZ: 03EN4006A)

PROMETHEUS

Hochleistungs-Kohlenstoffschichten für reibungsoptimierte Motorenkomponenten, Laufzeit 01/2019–06/2022 (BMWK: FKZ: 03ET1609E)

News und Medien

 

Presseinformation / 12.10.2021

Supraschmierung verbannt Reibung aus Motoren

Fraunhofer IWS arbeitet an Maschinen, die kaum noch Energie als Abwärme vergeuden

 

Aktuelles / 27.9.2021

Reibungsloser Ablauf für hohe Einsparungen

Dr. Stefan Makowski gewinnt Förderpreis der Gesellschaft für Tribologie

 

Presseinformation / 11.1.2019

Atomarer Mechanismus der Supraschmierung aufgeklärt

Tribologie: Designregeln für extrem niedrige Reibungskoeffizienten