Nano-Dynamik tribologischer Paarungen auf plasmastrukturierten Oberflächen und deren Herstellung (NANODYN)

Problemstellung
Für die Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen im weltweiten Markt wird die Res-sourceneffizienz zunehmend von entscheidender Bedeutung. In den Industrieländern entste-hen durch Reibung und Verschleiß Schätzungen zufolge jährliche Verluste in Höhe von ca. 5 v. H. des Bruttosozialprodukts. Durch innovative Oberflächentechnik kann eine nachhaltige und umweltfreundliche Produktion realisiert werden. Oberflächen können auf ihre Anwendung hin maßgeschneidert werden, ohne die bereits optimierten Volumeneigenschaften, wie beispielsweise Gewicht, Härte und Elastizität, von Bauteilen zu ändern. Insbesondere die Möglichkeiten zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Energieeffizienz bzw. zur Einsparung von Energie ist das Optimierungspotential bei weitem noch nicht ausgeschöpft.

Projektziel
In dem Verbundprojekt NANODYN wurde Hilfe funktionalisierter Oberflächen die Ressourceneffizienz von Produkten entscheidend verbessert. Mit nanoskalig strukturierten Schichten können Oberflächen von Produkten und Bauteilen aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen modifiziert werden. Das Gesamtziel des Verbundvorhabens gliederte sich in zwei Bereiche:
1. Entwicklung von Produktionstechnik, die durch gezielt lokal strukturierte Oberflächenbeschichtungen energieeffizientere und ressourcenschonendere Bauteilfunktionen ermöglichen.
2. Erforschung und Simulation von mikro- und nanoskopischen Vorgängen auf reibenden und be- und entnetzenden Oberflächen, die wirtschaftlich herstellbar werden sollen. Kennzeichnend für dieses Projekt ist der Ansatz, die technischen Anforderungen auf die Beschaffenheit der Grenzflächen zurückzuführen und durch eine nanoskalig strukturierte Schicht zu beeinflussen.

Vorgehensweise
Für dieses Projekt hatte sich ein Konsortium aus zwei Forschungsinstituten und vier Firmen gebildet, das mit Hilfe neu entwickelter, nanoskalig strukturierter Schichten die tribologischen Eigenschaften ausgesuchter Anwendungsfelder aus der Luftfahrt, der Beschichtung von Bandwaren und von Wälzlagern gezielt modifizierte. Die Entwicklung der Schichttechnologie im Labormaßstab, unterstützt durch rechnerische Simulationsverfahren, wurde durch die Institute durchgeführt. Durch die Einbindung eines Anlagenherstellers wurde die Skalierung des Beschichtungstechnologie auf Bauteile und Produkte im Serienmaßstab sichergestellt.

Ergebnis und Anwendungspotenzial
Im Rahmen des Verbundvorhabens konnten beispielsweise auf verschiedenen Folien-, Vliesstoff- und Gewebeoberflächen nicht nur definierte langzeitstabile Benetzungseigenschaften eingestellt werden, sondern diese zugleich zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bei geeigneter Auswahl der Schichtkomponenten genutzt werden. Weiterhin ist es in diesem Projekt gelungen, laborbasierte Testmethoden zu entwickeln, mit denen das Vereisungsverhalten beim Auftreffen unterkühlter Tröpfchen auf Oberflächen, z.B. auf Flugzeugflügel, kostengünstig und realitätsnah untersucht und bewertet werden können. Der positive Einfluss einer Plasmamodifizierung von Oberflächen an Hybrid-Wälzlagern wurde für verschiedene Medien bei wälzlagertypischer Belastung nachgewiesen. Neben Sonderschmierstoffen waren dies wässrige, fetthaltige und saure Medien. Unter bestimmten Bedingungen konnte eine Reduzierung der Reibung um bis zu 40 v.H. ermittelt werden. Auch die Reinigung der Lager wurde durch das angepasste Benetzungsverhalten der verschiedenen Oberflächen deutlich verbessert. Dadurch wird die Gefahr der Keimbildung im Prozess reduziert. Die entwickelten Simulationen auf atomarer Ebene ermöglichen dabei detaillierte Einblicke in die Abläufe des Reibungsvorgangs. Anwendungsfelder dieser Herstelltechniken sind Bauteile aus der Luftfahrt, die Beschichtung von Bandwaren und von Wälzlagern.

• Airbus Defence and Space GmbH
• CEROBEAR GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• PINK GmbH Thermosysteme
• ROWO Coating Gesellschaft für Beschichtung mbH
• Universität Bremen