Laserstrukturierung erhöht Verschleißfestigkeit von ölgeschmierten mechanischen Teilen
Eine der Hauptgründe für Betriebsausfälle bei Maschinen, die über ölgeschmierte bewegliche Teile verfügen (Lager, Zahnräder, Nockenwelle usw.), ist die „Mangelschmierung“. Sie tritt auf, wenn die Ölschmierung nicht die komplette Oberfläche mechanischer Reibungsflächen bedeckt oder die Dicke des hydrodynamischen Films nicht für eine angemessene Schmierung ausreicht. Dieses Phänomen tritt vor allem unter bestimmten Bedingungen wie Kaltstarts, Vibrationen oder bei hohen Drehzahlen auf. Konventionelle Methoden (wie Ölzusätze, thermisches Spritzen oder Beschichten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung) sollen die allgemeine Verschleißfestigkeit verbessern, können der Mangelschmierung jedoch nicht vorbeugen. Außerdem sind diese Techniken relativ teuer, steigern die Komplexität und erhöhen die Umweltbelastung. Vor allem aber sind sie lediglich Behelfslösungen, die das eigentliche Problem nicht beheben. Das Technologietransferunternehmen IfU Diagnostic Systems hat eine Machbarkeitsstudie über ein neues Verfahren zur Strukturierung mechanischer Bauteiloberflächen im Mikro- und Nanobereich mit dem Namen NGenMech durchgeführt. Dank EU-Finanzierung (über das KMU-Instrument der Phase 1) konnte die Technologie im Rahmen des NGenMech-Projekts der Marktreife näher gebracht werden. Dazu wurden eine detailliertere Marktanalyse vorgenommen, ein Geschäftsplan erstellt, eine Abschlussanalyse der technischen Machbarkeit, der Technologievalidierung und der Risikobewertung erstellt sowie die Strategien für das Recht des geistigen Eigentums und die Investition aktualisiert.
Ultrakurzpulslaser
Ultrakurzpulslaser emittieren Lichtimpulse mit Dauern, die üblicherweise im Bereich von Femtosekunden bis Picosekunden liegen. Da die Energiedichte an der Stelle des zu behandelnden Bauteils sehr hoch sein kann (z. B. kann ein Impuls von 10 Picosekunden mit einer Energie von 100 Mikrojoule eine Spitzenleistung von 10 Megawatt haben), wird eine Oberflächenmikrobearbeitung durch kalte Ablation möglich. Bei der kalten Ablation wird das Material präzise durch Verdunstung oder Sublimation entfernt und nicht abgekocht, wodurch eine hochwertige Strukturierung erreicht wird, ohne dass der betroffene Bereich erhitzt werden muss. „Übliche Methoden zur Behebung der ‚Mangelölschmierung‘ zielen leider nur auf die Verschleißfestigkeit an sich ab, wobei ein statischer Ansatz zur Lösung eines dynamischen Problems zur Anwendung kommt“, sagt die Projektkoordinatorin Antje Wilhelms. Mit solchen präzisen laserstrukturierten Teilen können der Reibungskoeffizient um das Zwei- bis Dreifache reduziert, die Leistung und Zuverlässigkeit erhöht und der Wartungsaufwand begrenzt werden. Insgesamt kann die Lebensdauer der gesamten Maschine verdoppelt werden.
Grünere Produktion und umweltfreundlicherer Verbrauch
Die NGenMech-Technologie könnte die Menge der von den Herstellern benötigten Rohstoffe reduzieren, den Bedarf an Schmierstoffwechseln verringern, Kosten senken und Produktionsausfälle minimieren. Verbraucher würden dadurch langlebigere Produkte erhalten, die weniger Wartung benötigen und seltener ausfallen, während Hersteller von einem höheren Mehrwert bei geringerem Rohstoff- und Energieverbrauch profitieren. Damit NGenMech auf den Markt gebracht werden kann, muss die Technologie automatisiert und anhand einer zu Demonstrationszwecken dienenden Produktionslinie eines Industriepartners ordnungsgemäß kalibriert werden. Aktuell arbeitet das IfU mit mehreren Industrieunternehmen zusammen, die an der Kommerzialisierung der NGenMech-Technologie interessiert sind. „In technischer Hinsicht besteht der unmittelbare nächste Schritt in der Entwicklung und dem Testen von optimalen Oberflächenstrukturen für verschiedene Anwendungen. Das ist in etwa damit vergleichbar, wie die Oberfläche von Autoreifen für verschiedene Wetterbedingungen konzipiert und optimiert wird“, sagt Wilhelms.
Schlüsselbegriffe
NGenMech, Öl, Schmierung, Maschine, Verschleiß, Laser, Impuls
