Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Fast-Screening-Test für tribologische Kontakte in Pneumatikventilen

Die Automatisierung von Prozessen nimmt in der industriellen Fertigung eine entscheidende Rolle ein. Vielfach wird zur Erfüllung von Greif-, Transport-, und Positionieraufgaben aufgrund des einfachen und robusten Aufbaus auf pneumatische Lösungen zurückgegriffen. Ein zentraler Bestandteil solcher Anlagen sind Ventile. Da bei pneumatischen Ventilen das Verhältnis zwischen Druck- und Reibungskräften meist deutlich ungünstiger als in der Hydraulik ist, kommt der Auslegung der Tribokontakte zwischen Ventilschieber und Buchse besondere Bedeutung zu. Um das Reibungs- und Verschleißverhalten schon im Entwicklungsprozess beurteilen zu können, ist man bisher auf kostspielige Dauerversuche angewiesen. Forschungsziel des angestrebten Projektes ist die Entwicklung und Validierung eines Fast-Screening-Tests, mit dem bereits in der Entwicklungsphase nach kurzer Versuchsdauer Tribosysteme anhand von Reibung und Verschleiß hinsichtlich ihrer Eignung für Pneumatikventile bewertet und ihr Verschleißverhalten über dem gesamten Lebenszyklus abgeschätzt werden können. Der Lösungsweg hierfür gliedert sich in drei Arbeitspakete. Das erste Arbeitspaket beinhaltet die Entwicklung eines Prüfstandes zur Reibungs- und Verschleißmessung bzw. -erzeugung. Die systematische Erstellung eines Prüfplans und die Festlegung von Bewertungskriterien, basierend auf den Ergebnissen von Referenzmessungen mit neuen sowie verschlissenen Ventilen am aufgebauten Fast-Screening-Prüfstand, ist Bestandteil des zweiten Arbeitspakets. Schließlich werden im dritten Arbeitspaket Fast-Screening-Tests durchgeführt, die Ergebnisse bewertet und das Verfahren validiert. Nach Abschluss des Projektes wird somit ein Prüfverfahren zur Verfügung stehen, was insbesondere KMU bei der Neuentwicklung und Optimierung von Pneumatikventilen unterstützt, indem diese einfacher, günstiger und schneller geprüft werden können. Dabei wird gleichzeitig die Time-To-Market verkürzt und somit insgesamt die Wettbewerbsfähigkeit gesichert.

Ergebniszusammenfassung:

Aufgrund einer Vielzahl von Einflussfaktoren auf das Tribosystem, sowohl während der Fertigung als auch im Betrieb, ist das Ausfallverhalten von Ventilen bis heute simulativ nicht vorhersagbar. Deshalb kann es nur durch experimentelle Untersuchungen ermittelt werden. Markttendenzen in der Pneumatik, wie der immer höhere Miniaturisierungsgrad der Ventile, und regulatorische Beschränkungen von PFAS-basierten Werkstoffen, führen zu einem Bedarf nach immer kürzeren Entwicklungszeiten. Eine Versuchsmethodik, die es ermöglicht, schnell das Potenzial von Ventilkonstruktionen und von deren Tribosystemen zu bewerten, könnte zu einer deutlichen Verkürzung der Entwicklungszyklen führen.

Somit wurde im Rahmen des Projekts wurde eine Methode entwickelt, um weichdichtende Pneumatikventile auf Verschleiß zu prüfen. Um vergleichbare Verschleißbedingungen zu gewährleisten, wird die Gehäusetemperatur in Referenz- und beschleunigten Tests gleichgehalten, indem die Drucklufttemperatur entsprechend angepasst wird. Dieser Ansatz beruht auf der Annahme, dass die Änderung der Relaxationszeiten zwischen den Schaltvorgängen weniger relevant ist als die Geschwindigkeit und Temperatur während der Schaltvorgänge.

Als Bewertungskriterien wurden Verschleißindikatoren wie beispielsweise Reibung und ortsaufgelöste Leckagen gewählt, die mithilfe des entwickelten Prüfstands während der Versuche mittels wiederkehrender spezifischer Testzyklen im Wechsel mit den Belastungszyklen ermittelt werden. Die Ergebnisse der Experimente zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Referenzversuchen und den beschleunigten Versuchen hinsichtlich der verschiedenen gemessenen Verschleißkriterien. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden bilden somit einen wichtigen Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen.