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Fördermaßnahme: Ressourceneffizienz in der Produktion: Gezielte Gestaltung von Produkteigenschaften mit effizienten Technologien
Forschungsziel: Das Ziel des Projektes Smartsurf war die Schaffung technologischer Voraussetzungen für eine Verschleiß- und Reibungsminimierung sowie eine Verbesserung von Strömungs- und Benetzungseigenschaften an technischen Bauteilen zu erreichen. Dafür wurde eine hochpräzise, neuartige Prozessmaschinentechnik auf Basis von Ultrakurzpulslasern mit Mehrfachstrahltechnik und einer Hochgeschwindigkeitsscantechnik entwickelt. So lassen sich zukünftig nachbearbeitungsfreie, funktionale Mikro- und Nanostrukturen auf rotationssymmetrischen und komplexen 3D-Bauteilstrukturen aus Metall oder Keramik fertigen. Die Auslegung und Simulation belastungsangepasster Strukturgeometrien sowie deren Charakterisierung mittels online-Messtechniken stehen in einem Katalog für Oberflächenstrukturen für breite Anwendungsfelder zur Verfügung.
Dipl.-Ing. Ulrike Kirsten
+49 721 608-31411
ulrike.kirsten@kit.edu
Durch funktionale Oberflächenstrukturierungen lassen sich Reibungs- und Verschleißverluste von tribo-mechanisch hoch beanspruchten Bauteilen reduzieren. Im Projekt Smartsurf wurde dazu eine hochpräzise Prozessmaschinentechnik auf Basis von Ultrakurzpulslasern entwickelt.
Der Forschungsschwerpunkt des Projekts bestand in der Abbildung sämtlicher nötiger Schritte für die Auslegung, Herstellung und Charakterisierung energiesparender und ressourcenschonender Mikrostrukturen an hoch belasteten Bauteilen. Dabei wurden verschiedene physikalische Effekte zur Reibungs- und Verschleißminimierung an tribologischen Bauteilen sowie zur besseren Entlüftung von Spritzgusswerkzeugen für Dichtungen ausgenutzt mit dem Ziel, den Schmiermittel-, Brennstoff- bzw. Materialverbrauch sowie die Abnutzung von Bauteilen zu reduzieren. Der Gedanke der Ressourcenschonung wurde dabei sowohl in den Herstellungsprozessen der Mikrostrukturen als auch in der Funktion der mikrostrukturierten Bauteile bedacht. Bei der Auslegung der Strukturen wurden zunächst die Art, Anordnung und Form der funktionalen Oberflächenstrukturen durch Simulation und experimentelle Charakterisierung festgelegt. Dabei wurden sowohl die fluidtechnischen Randbedingungen als auch die mechanischen und geometrischen Einflussgrößen der verwendeten Werkstoffe und Bauteile berücksichtigt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten und die Kennzeichnung optimaler Strukturen wurden in einem Katalog dokumentiert. Für die Herstellung von Mikrostrukturen wurden verschiedene Laserverfahren untersucht. Das Verfahren Laserablation wurde für die Untersuchungen der Werkstoffeigenschaften verwendet, wirtschaftliche Scanverfahren und Optiksysteme für Ultrakurzpulslaser zur schnellen Werkstückstrukturierung sowie für eine fertigungsnahe Qualifizierung der Strukturen geeignete Messtechniken entwickelt. Mit diesen Forschungs- und Entwicklungsansätzen konnten Oberflächen gestaltet und für unterschiedliche Anwendungsfelder, wie zum Beispiel aus der Motorentechnik, der Dichtungstechnik und der Fluidtechnik Oberflächen untersucht und bewertet werden. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass über eine funktionale Strukturierung von Materialoberflächen eine deutliche Reduzierung des Verbrauchs, der Reibung und des Verschleißes erreichbar ist.
Die Forschungsergebnisse wurden im Rahmen des 2.Ultrakurzpulslaserworkshops am 18.3.2013 in Aachen vorgestellt und lsind in der Publikation: Funktionale Laser-Mikrostrukturierung zur Verschleiß- und Verbrauchsreduktion an hochbeanspruchten Bauteiloberflächen, verlegt vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik Aachen, für die Fachöffentlichkeit zugänglich.
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