Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Methode zur Auslegung von reibungsreduzierenden Mikrostrukturen auf dynamischen Elastomerdichtungen mit verschleißarmen Beschichtungen

"EMAMiD"

Forschungsziel ist die Reduzierung des energetischen Verlusts von Maschinen durch reibungsreduzierte Dichtungen, ebenso wie deren Gebrauchsdauer. Dynamische Elastomerdichtungen, wie Radialwellendichtringe, kommen in den verschiedensten Anwendungen und Branchen zum Einsatz. Beispiele sind Automobile, Schwerindustrie, Hydrauliksysteme und Windenergieanlagen. Die angestrebte Verbesserung wird systemübergreifend positive Effekte erzielen. Zudem können reibungsreduzierte Dichtungen als Einzelkomponenten verwendet werden, ohne am Gesamtsystem aufwändig Änderungen vornehmen zu müssen. Kleinere Unternehmen werden so wirtschaftlich lukrative Komponenten anbieten können.

Die angestrebte Verbesserung zielt auf die Funktionalisierung der Oberflächen im Dichtkontakt ab. Auf der Dichtungsseite sollen zwei Strategien verfolgt werden. Zum einen werden zur Reduzierung von Reibung und Leckage definierte Mikrostrukturen in die Elastomeroberfläche eingebracht. Zum anderen wird die Oberfläche des Dichtungswerkstoffs mit reibungs- und verschleißreduzierenden Beschichtungen versehen.

Durch Erhebungen im Oberflächenprofil der Dichtungen lässt sich ein hydrodynamischer Spaltdruck ausbilden. Durch eine gezielte Mikrostrukturierung soll die Schmierfilmhöhe erhöht werden, um so über eine leichtere Scherung im Schmierstoff geringere Reibung zu erreichen.

Nach dem Stand der Technik ist die Erarbeitung eines Modells zur Auslegung von Mikrostrukturen zur Reibungsreduzierung bei Elastomerdichtungen erforderlich. Bei bekannter Grundlage können später einfacher Strukturen für verschiedene Anwendungen adaptiert werden. Dies soll insbesondere für kleinere Unternehmen die Anwendbarkeit der Technologien vereinfachen.

Aufgrund der Größe von Mikrostrukturen und dem verschleißanfälligen Werkstoff Elastomere tritt schon bei geringem Verschleiß eine Funktionsschädigung auf. Nur durch eine Verschleißschutzschicht wird die Funktion der Mikrostrukturen länger aufrechterhalten bleiben.

Ergebniszusammenfassung:

Auf Basis einer simulativen Grobauslegung wurden näpfchenförmige Mikrostrukturen mittels Laserablation in unterschiedlichen Strukturdichten in ebene, ringförmige Probenkörper aus NBR eingebracht und diese beschichtet. Im Einklang mit der Simulation wurde geschwindigkeitsabhängig eine Reibungsreduzierung von bis zu 50% durch die Mikrostrukturierung und plasmapolymere Beschichtung im Vergleich zur unbehandelten Referenz erzielt.

Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass ein Teil der Wirkung durch eine deutlich verringerte reale Kontaktfläche der Beschichtung in der Festkörperreibung hervorgerufen wird. Infolge des hohen E-Moduls (35,4 GPa) resultiert eine im Vergleich zu Elastomeren (<10 MPa) geringe kritische Dehngrenze von < 1,2%. Es entstehen im Kontakt Schollen, die aber sehr gut am Elastomer anhaften. Durch die Beschichtung verschiebt sich zudem das Materialverhalten hin zu elastischem Verhalten.

Der Einfluss der Mikrostruktur auf die lokale Fluidströmung im Dichtkontakt wurde durch numerische Strömungssimulationen (CFD) auf Basis der vollständigen Navier-Stokes Gleichungen und eines masseerhaltenden Kavitationsmodells analysiert. Die durch den Fluiddruck hervorgerufene lokale Strukturdeformation führt zu geringen Unterschieden in den Schmierfilmhöhen zwischen Beginn und Ende der Mikrostruktur. Die zum Verschleißschutz applizierte plasmapolymere Beschichtung beeinflusst dies nur gering. Der Strukturquerschnitt wurde hinsichtlich minimaler Reibung sowie Strukturausrichtung hinsichtlich maximaler Rückförderwirkung optimiert. Es ist für den vorliegenden Fall eine näpfchenförmige Mikrostrukturierung mit einem Durchmesser D = 30 µm, einer Tiefe t = 2 µm, einer Strukturdichte S = 20%, einem Schlankheitsgrad Λ = 2,5 und einem Anstellwinkel δ ≈ 55° zu wählen.

Es wurden konkrete Auslegungshinweise für reibungsarme dynamische Elastomerdichtungen entwickelt. Diese können im Rahmen eines Vorgehensmodells in einem Produktentwicklungsprozess eingesetzt werden.