Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des tribologischen Systemverhaltens kurzfaserverstärkter Polyamide für Anwendungen in Maschinenelementen

Maschinenelemente aus Kunststoff werden industriell aufgrund von Gewichtsersparnis oder eines möglichen schmiermittelfreien Betriebes eingesetzt. Nachteile, wie eine geringere mechanische Tragfähigkeit oder eine größere Temperaturabhängigkeit als bei metallischen Werkstoffen, schränken das Anwendungsgebiet jedoch stark ein. Durch den Einsatz von kurzfaserverstärkten Kunststoffen, speziell Polyamiden, lassen sich die Eigenschaften verbessern und Potenziale für neue Anwendungsgebiete schaffen. Für eine sichere Auslegung sind fundierte Kenntnisse zu Lastgrenzen und dem tribologischen Systemverhalten erforderlich, welche heute vor allem für den industriell weit verbreiteten geschmierten Kontakt nur unzureichend vorhanden sind. Das Ziel ist es daher, das tribologische Systemverständnis von kurzfaserverstärkten Polyamiden zu verbessern und Kenntnisse über die thermischen Belastungsgrenzen unter anwendungsnahen Bedingungen zu erlangen. Hierzu arbeiten Spezialisten auf dem Gebiet der Kunststofftechnik (LKT) und der Tribologie von Maschinenelementen (FZG) zusammen. Es werden tribologische Modellversuche für den Gleit- und Wälzkontakt im anwendungsnahen Betrieb durchgeführt. Die Prüfkörper aus Kunststoff sowie die Schmierstoffe werden umfassend charakterisiert, um Rückschlüsse auf Faser-Matrix-Schmierstoff Wechselwirkungen und Kontaktmechanismen ziehen zu können. Eine Simulation der Herstellung der Probekörper und des Wälzkontaktes bieten die Möglichkeit einer tiefergehenden Interpretation der Versuchsergebnisse. Die Ergebnisse werden diskriminierungsfrei zur Verfügung gestellt. Vor allem KMUs, die personell und finanziell bedingt keine tiefgehende Forschung betreiben können, profitieren von den gewonnen Erkenntnissen und den Empfehlungen für die Praxis. Durch die Verwendung der Forschungsergebnisse schaffen sich KMUs bedeutende internationale Wettbewerbsvorteile, da bestehende Produkte verbessert und mit neuen Produkten neue Geschäftsfelder erschlossen werden können.

Ergebniszusammenfassung:

In hochbeanspruchten Maschinenelementen stoßen Polyamide auch bei Faserverstärkung an ihre Leistungsgrenzen. Zur konsequenten Nutzung des Potenzials dieser Werkstoffe, lag das Ziel dieses Vorhabens im Aufbau von grundlegendem Verständnis zum tribologischen Systemverhalten kurzfaserverstärkter Polyamide in hochbeanspruchten, geschmierten Gleit- und Wälzkontakten einschließlich deren Belastungsgrenzen. Dazu wurden vielfältige Einflussfaktoren, wie z. B. Verarbeitung, Konditionierung, Schmierungszustand, Umgebungsbedingungen und Lastkollektiv untersucht.

Multiphysikalische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen aus dem Bereich Modell- und Bauteilverhalten zeigen, dass die hohe Nachgiebigkeit des Polyamids zu niedrigem Kontaktdruck führt, wodurch sich die Schmierstoffviskosität im Kontaktgebiet nicht wesentlich erhöht. Die Kontaktreibung und die Erwärmung des Schmierstoffs sind dadurch klein. Insbesondere bei hohen Flüssigkeitstraganteilen wurden Reibungszahlen µ < 0,01 gemessen, wobei die Unterschiede der Werkstoffvarianten klein sind und die Schmierstoffe ein Newton’sches Fließverhalten aufweisen. Bei hohen Festkörpertraganteilen unterscheiden sich die Werkstoffvarianten in Abhängigkeit des verwendeten Schmierstoffs und ihrer herstellbedingten Oberflächenstruktur. Das belastungsfrequenzabhängige Dämpfungsverhalten des Polyamids kann dabei zur maßgeblichen Beeinflussung des Schmierungszustands und des Wärmehaushalts führen. Untersuchungen des Reibungs- und Verschleißverhaltens an in Schmierstoff eingelagerten Probekörpern zeigen eine zusätzliche Steigerung der tribologischen Leistungsfähigkeit bei Gleitkontakten.

Konstrukteure profitieren maßgeblich vom Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Materialeigenschaften des Polyamids und dem tribologischen Systemverhalten zur Auslegung energieeffizienter Maschinen. Kunststoff- und Schmierstoffherstellern können gezielt auf das tribologische Systemverhalten abgestimmte Produkte entwickeln.