Quelle: Chalabala/iStock/thinkstock

 

„Das Geheimnis unseres Erfolgs ist die Zusammenarbeit von Spezialisten aus unterschiedlichen Bereichen der Tribologie in einem Team“, betont Volker Weihnacht vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, IWS. Als Ansprechpartner des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) initiierten Forschungsfelds Tribologie erforscht er in einem Konsortium verschiedenster Projektpartner in den geförderten Projekten PEGASUS I und II sowie CHEOPS tribologische Mechanismen und deren energieeffiziente Anwendung in der Industrie.

Spezialisten aus Hochschulen, Forschungsinstituten und Unternehmen zusammenzubringen, ist eine anspruchsvolle Aufgabe, aber machbar. Die Wissenschaftler der geförderten Vorhaben bringen ihre gewonnenen Erfahrungen und Erkenntnisse aus Forschung und Entwicklung in das Forschungsfeld Tribologie ein. Der Netzwerkgedanke soll darin weiter fortgeführt und ausgebaut werden, um Anreize für eine übergreifende Forschung zu schaffen: „Tribologische Mechanismen sind komplex, und deshalb ist es für die Forschung wichtig, möglichst viele Erfahrungen miteinzubeziehen“, sagt Weihnacht. Tribologische Fragestellungen weisen eine große volkswirtschaftliche Bedeutung auf, so werden die durch Reibung und Verschleiß verursachten volkswirtschaftlichen Schäden in Industrieländern zwischen 2 und 7 Prozent (Quelle: Gesellschaft für Tribologie e.V.) des Bruttosozialprodukts geschätzt.

Das Forschungsfeld Tribologie vernetzt Akteure aus Wissenschaft und Industrie branchenübergreifend unter dem Dach des Forschungsnetzwerks in Industrie und Gewerbe. Als Schnittstelle zwischen Politik, Forschung und Wirtschaft bündelt das Forschungsfeld alle Forschungsaktivitäten des Schlüsselthemas Tribologie für eine energieeffiziente Industrie der Zukunft.

Die Wissenschaft der Tribologie beschreibt Reibung, Schmierung und Verschleiß sich gegeneinander bewegender Oberflächen. Je weniger Reibung, desto geringer sind die Energieverluste und desto höher ist die Lebensdauer der sich aneinander reibenden und damit verschleißenden mechanischen Komponenten. Von diesen Effekten hängen Leistung und Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs ab, aber auch Lebensdauer und Wartungskosten von Landmaschinen oder Pumpen. Um die Prozesse der sich gegeneinander reibenden Kontaktflächen in Maschinen wie Motoren, Lagern oder Pumpen energetisch zu optimieren, müssen die Wissenschaftler die Interaktion genauer verstehen: Welche Rolle spielt das Material, die Form der Oberfläche oder die Chemie des Schmierstoffs? Welchen Einfluss haben Temperatur und Luftfeuchtigkeit? Wie rau oder glatt müssen die im Tribokontakt stehenden Flächen sein? Ziel ist nicht nur, den Verschleiß möglichst gering und die Lebensdauer der einzelnen Komponenten möglichst hoch zu halten. Benötigt werden auch wirtschaftliche Fertigungsverfahren und möglichst umweltschonende Betriebsstoffe. Für die Industrie stecken in der Tribologie beachtliche Einsparpotentiale, die es weiter zu erforschen gilt.

„In der Tribologie lassen sich keine scharfen Grenzen zwischen den einzelnen Forschungsdisziplinen ziehen“, erklärt Volker Weihnacht. Es seien die Akteure aller Bereiche gefragt zusammenzuarbeiten, um die Einsparpotenziale der Tribologie für die Industrie erkennbar und nutzbar zu machen. Das BMWi fördert innovative Technologien und Konzepte in diesem Bereich und setzt mit dem Forschungsfeld Tribologie seine Vernetzungsstrategie in der Energieforschung fort.

„Wissenschaftlich haben wir mit PEGASUS in der Tribologie einen Meilenstein gesetzt“ sagt Johann Schnagl als ehemaliger Projektleiter der BMW Group. „Damit sind wir international ganz weit vorne und deutlich weiter als andere auf diesem Forschungsgebiet.“ Zwölf Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft haben in den vom BMWi mit rund 18 Millionen Euro geförderten ProjektenPEGASUS I und II unter anderem diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC – aus dem Englischen "diamond like carbon") für Antriebsstränge und Komponenten im Motor von Fahrzeugen erforscht. Bauteile im Auto, wie zum Beispiel Kolbenring oder Getriebezahnräder, könnten künftig mit speziellen DLC-Schichten überzogen sein. Denn diese gewährleisten in Kombination mit angepassten Schmiermitteln eine extrem niedrige Reibung. Die in den Vorhaben entwickelte Kombination aus Material und dem passenden Fertigungsverfahren ergibt eine Oberfläche, die sich neben der außerordentlichen Gleitfähigkeit auch durch Antihafteigenschaften, chemische Stabilität und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit auszeichnet.

Diese Forschungsergebnisse werden in dem 2015 gestarteten und vom BMWi mit rund 7 Millionen Euro geförderten Vorhaben CHEOPS um weitere Aspekte vervollständigt. Hier greift das Forscherteam auf die Erfahrungen früher geförderter Projekte zurück und entwickelt geeignete Schichten für Getriebe, Lager und Ketten von Motorrädern oder Landmaschinen – das heißt für Tribosysteme, die eher langsam bewegt sind. Schmiermittel bilden hier keinen homogenen Film aus. In einigen Fällen wird der Schmierstoff nahezu komplett verdrängt, sodass die Systeme zumindest zeitweise unter Mangelschmierung oder sogar ungeschmiert laufen. Die Forscher untersuchen in CHEOPS das tribologische Verhalten vielfältiger Schichtarten mit geeigneten Schmierstoffen: Sie wollen Verfahren entwickeln, mit denen sie die verschiedenen Verschleißangriffen ausgesetzten Schichten auf die Komponenten dauerhaft aufbringen können, und herausfinden, ob Maschinen im Betrieb eine kontinuierliche minimale Schmierung durch Öle oder Fette brauchen oder mit einer nur einmaligen initialen oder sogar ganz ohne Schmierung betrieben werden können. Die Wissenschaftler sehen in der Anwendung der DLC-Schichten sowie spezieller Festschmierstoff-Schichten und einer vereinfachten Bauteilegeometrie Chancen für eine Reduktion des Energieverlusts von bis zu 50 Prozent.

Im Verbundvorhaben POSEIDON (Fördersumme rund 4 Millionen Euro) haben Wissenschaftler die Lager in Pumpen der Nahrungsmittelindustrie, chemischen Industrie sowie in Windenergieanlagen oder Meeresenergieanlagen betrachtet. Diese Lager sind hohen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt und müssen gegen korrosiv wirkende Fluide gekapselt sein. Mit dem Verzicht auf Dichtungen können bis zu 30 Prozent Reibungsverluste eingespart werden.

Die geförderten Forschungsvorhaben POSEIDON, PEGASUS und CHEOPS stehen exemplarisch für die übergreifende Forschung unterschiedlicher Teilgebiete im Forschungsfeld Tribologie. Mit den Erkenntnissen aus diesen Projekten können künftig eine Vielzahl von industriellen Anwendungen optimiert werden, bei denen Kräfte übertragen werden. Radlager, bei denen die Reibung etwa um die Hälfte gegenüber konventionellen Lagern reduziert ist, sind bereits entwickelt. Auch ein im Vorhaben  PEGASUS entwickeltes Achsöl, das Energieverluste minimiert, ist bereits am Markt eingeführt.

„Je mehr wir in die Tiefe gehen und verstehen wollen, wie das Tribosystem funktioniert, desto mehr verzweigt sich das Forschungsfeld“, sagt Volker Weihnacht. Entscheidend sei, die einzelnen Forschungsdisziplinen und Sichtweisen der Akteure zusammenzuführen und weiterzuentwickeln. Erst der Austausch und Transfer von Ergebnissen aus geförderten Vorhaben innerhalb des Forschungsfelds Tribologie ermöglichen eine effektive und effiziente Forschung für den Erfolg der Energiewende in Deutschland. Forschungsthemen sollen in die Breite entwickelt und die Ergebnisse in die Branchen transferiert werden. Forschungslücken gilt es, übergreifend zu identifizieren und mit der Expertise der Akteure auf dem breit gefächerten Gebiet der Reibungslehre systematisch zu schließen. Mit dem Forschungsfeld Tribologie setzt das BMWi neue Forschungsimpulse und stärkt die Position der deutschen Industrie im internationalen Wettbewerb.
Im Betriebsalltag habe der einzelne Wissenschaftler kein vergleichbares Forum, in dem er sich austauschen und Technologien weiterentwickeln und weiterdenken könne, sagt Franz Wetzel von der BMW Group und Projektleiter im Vorhaben CHEOPS. „Der Input und die Perspektive anderer Wissenschaftler auf die Tribologie sind für jeden wichtig und gewinnbringend. Wir stehen alle vor den gleichen komplexen Fragestellungen und können gemeinsam optimale Lösungspfade beschreiten.“ Dieser Gedanke sei in einem Forschungsfeld Tribologie für alle ein starker Motivationsfaktor.

Die Akteure im Forschungsfeld Tribologie integrieren das Thema Tribologie auch verstärkt in die Lehre und tragen so dazu bei, das gesammelte Wissen für nachfolgende Forscher zu erschließen und künftige Einsparpotenziale zu heben.

In Zukunft wird es vor allem darum gehen, robuste und wirtschaftliche Systeme für die Praxis zu entwickeln, die Maschinen energieeffizient zu optimieren und ihre Lebensdauer zu erhöhen. „Wir suchen praktische und möglichst universelle Lösungen, die auch wirtschaftlich umsetzbar sind, testen anwendungsnah und erproben direkt im Motor. Diese direkte Linie ist im internationalen Wettbewerb unsere Stärke“, meint Volker Weihnacht.

Bislang lassen sich die Reibungskräfte nicht exakt berechnen oder vorhersagen: Für das Forschungsfeld Tribologie sei es deshalb die größte Herausforderung, die komplexen Zusammenhänge von Schicht-Oberfläche-Schmierstoff zweier in Reibkontakt zueinander stehenden Oberflächen zu verstehen, meint Johann Schnagl. Um daraus theoretische Modellsysteme abzuleiten, sind darüber hinaus verlässliche tribometrische Daten zu ermitteln. Die Wissenschaftler werden in Forschung und Entwicklung noch stärker in die Mikro- und Makrotribologie einsteigen, um die Energie- und Ressourceneffizienz in der Breite der industriellen Anwendungen umzusetzen.

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Dr. Volker Weihnacht
volker.weihnacht@iws.fraunhofer.de

Projektträger Jülich
Dr. Michael Gahr
m.gahr@fz-juelich.de