Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Berechnungs- und Dimensionierungsmodells zur Definition geeigneter Oberflächenstrukturen für tribologische Anwendungen von Kunststoffbauteilen

Das Forschungsprojekt behandelt den Einfluss von Oberflächenstrukturen auf das Reib-, Verschleiß- und Kratzverhalten von Kunststoffbauteilen. Die positive tribologische Wirkung von Strukturen wurde in der wissenschaftlichen Literatur experimentell und mittels Simulation bestätigt. Auch wurde gezeigt, dass den Deformations- und Schädigungsmechanismen beim Kratzen und bei Reibung / Verschleiß prinzipiell die gleichen mikromechanischen Vorgänge zugrunde liegen. Daher besteht das Ziel des Projektes in der Erstellung eines Modells für die Berechnung von tribologisch optimierten Strukturen bei Kratzen und Reibung / Verschleiß für diverse Anwendungen. Kern des Lösungsansatzes ist die analytische und numerische Modellierung der Kontaktphänomene bei Kratzen, Reibung / Verschleiß und darauf basierend die Ableitung von vereinfachten Zusammenhängen oder Korrelationen, die in eine anwenderfreundliche Berechnungssoftware (z. B. Excel) für kmU implementiert werden sollen. Bei der Modellierung soll dabei schrittweise vorgegangen werden. Zunächst wird der Kontakt von einzelnen Gegenkörpern gegen ebene Grundflächen, aus für die Anwendung relevanten Kunststoffen, untersucht. Dann werden die Materialmodelle für die Kunststoffe erweitert, schließlich erfolgt der Übergang von ebenen auf strukturierte Flächen. Die Modelle werden dabei in jedem Schritt experimentell verifiziert. Letztlich sollen Strukturparameter variiert, vereinfachte Zusammenhänge abgeleitet und diese experimentell validiert werden.

Der Nutzen für kmU besteht in der Bereitstellung von Strukturen, mit denen die Lebensdauer von Produkten verlängert, Reibwerte gezielt eingestellt oder das Kratzverhalten von Oberflächen gesteuert werden kann. Eine Richtkostenkalkulation unterstützt die kmU bei der Auswahl. Somit können kmU gezielt Oberflächeneigenschaften verkaufen und werden damit wettbewerbsfähiger. Die Produkte selbst leisten durch die Lebensdauererhöhung einen Beitrag zu Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit.

Ergebniszusammenfassung:

E1: Analytische Methode zur Berechnung von Reibungszahlen:

Möglichkeiten des rechnerischen Nachweises von Reibungszahlen und somit von Verlustleistungen innerhalb tribologischer Systeme basierend auf den strukturierten Mehrfachkontakten. Dies bietet die Möglichkeit diese Art von Oberflächen schon während einer Produkt-/Bauteilentwicklung tribologisch klar definieren zu können.

E2: Simulationsmethode zur Berechnung der Deformation beim Überfahren von Oberflächen mit Mehrfachkontakten:

Rechnergestützte Optimierung der tribologischen Eigenschaften strukturierter Kunststoffoberflächen bzgl. geometrischer Strukturverhältnisse. Dies ermöglicht die Optimierung von Strukturen ohne aufwendige Testverfahren, welche ansonsten eine große Probenvielfalt und damit eine Vielzahl von Spritzgusswerkzeugen benötigen würde. Dadurch entstehen ein Kosten- und Zeitvorteil bei der Entwicklung neuer tribologisch belasteter Kunststoffoberflächen.

E3: Methode zur Bewertung der Sichtbarkeit von Kratzern:

Die Abhängigkeit der Sichtbarkeit von Kratzern von Einflussfaktoren und Strukturparametern ist umfassend untersucht und dokumentiert. Grundlegende, qualitative Regeln zur Strukturauslegung mit dem Ziel der Minimierung der Sichtbarkeit von Kratzern wurden abgeleitet und können einfach angewendet werden. Eine Bewertungsmethode für die Sichtbarkeit von Kratzern wurde entwickelt und validiert. Eine Anwendung ist ebenfalls einfach möglich.

E4: Empfehlungen für die Nutzung von Strukturen zur Minimierung von Reibung und Verschleiß:

Direkte Verwendung im Designprozess von Reibpaarungen bzw. in der Konstruktion von Spritzgussformen für tribologisch beanspruchte Kunststoffoberflächen. Dies lässt auch die numerische Optimierung entfallen und bietet eine gute Basis für Reibwert optimierte Produktoberflächen aus Kunststoff.