Programmierbare Reibung

Motivation

Jedes mechanisch bewegte Teil verursacht Reibung. Global gesehen sind die Auswirkungen immens: Mehr als 20% des Energieverbrauchs wird durch Reibung verursacht. Zusammen mit dem dabei auftretenden Materialverschleiß gehört Reibung zu den bestimmenden Einflussgrößen für die Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Bauteilen und Systemen.

Entsprechend verbreitet ist der Einsatz von Schmiermitteln, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Ob in der Windturbine, dem Fahrzeuggetriebe oder im produzierenden Gewerbe (Werkzeugmaschinen, Druckmaschinen, Pumpen), traditionell benötigt jede Anwendung zum Reibungs- und verschleißarmen Betrieb ein individuell zusammengestelltes Schmiersystem, in dem Werkstoff und Schmierstoff miteinander interagieren.

In den allerwenigsten Fällen jedoch ist die Reibungsbelastung statisch. Durch Reibungswärme ändern sich die Temperaturen und dadurch wiederum die Reibungsbedingungen. Auch die wirkenden Kräfte und Geschwindigkeiten sind meistens dynamisch, beispielsweise beim Anfahren mit dem Auto. Mit zunehmender Belastungsdauer kann Verschleiß auftreten und der Schmierstoff altern. Ein auf Basis von programmierbaren Materialien intrinsisch veränderbares System, das den Reibkontakt dynamisch optimiert, bietet ein entsprechend enormes technologisches Potenzial vor allem für Gleit- oder Wälzlager und Kupplungen.

nach oben

Woran wird geforscht?

Im Themenfokus »Programmierbare Reibung« erforscht das Cluster die Möglichkeiten Reibung durch externe Trigger zu steuern. Dadurch soll sich z.B. während des Betriebs einer Kupplung autonom ein für den aktuellen Betriebszustand optimaler Reibwert einstellen. Im Gegensatz zur einmaligen Anpassung des Schmierstoffs an das Reibsystem, wie es aktuell Stand der Technik ist, wäre dies ein enormer Vorteil. Es könnte dadurch die Effizienz und die Lebensdauer der Anwendung signifikant erhöht werden. Die Vision des Themenfokus besteht insgesamt darin, Reibsysteme so zu programmieren, dass sie über die gesamten Anwendungsparameter immer im optimalen tribologischen Zustand betrieben werden. Grundsätzlich können hohe (Kraftübertragung) oder niedrige (Schmierung) Reibungskoeffizienten oder eine Variation beider (Positionierung) gewünscht sein.

Besonderes Augenmerk liegt dabei auf neuartigen Lösungsansätzen, die über eine optisch oder elektrostatisch hervorgerufene Veränderung Reibeigenschaften steuerbar machen. Durch diese externen Schalter werden die Grenzflächenchemie und damit die Anlagerung von Molekülen bzw. Interaktionen der beiden Grenzflächen gezielt beeinflusst, wodurch sich die Reibeigenschaften steuern lassen (Abb.1 a, b).

Ein erster Ansatz bei der elektrisch programmierbaren Reibung beruht auf der Verwendung von mit ionischen Flüssigkeiten (IL: ionic liquid) additivierten Schmiermitteln. Diese ILs sind bei Raumtemperatur flüssig und bestehen nur aus Anionen und Kationen. Bei entsprechender elektrischer Polarisierung der Reiboberflächen werden die Anionen oder Kationen im Reibkontakt angezogen bzw. abgestoßen und so die Reibung gezielt verändert.

Für eine Kupplung, bei der die Reibung aufgrund von Alterung und Verschleiß abnimmt, würde dies konkret bedeuten, dass ein Sensor dies bemerkt und mit einem elektrischen Feld gegensteuert, sodass aufgrund wieder erhöhter Reibung das übertragbare Drehmoment ansteigt.

Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, Reibung über optisch schaltbare Schmierstoffe oder Oberflächen zu steuern. Bei diesen Systemen fungiert das Einstrahlen von Licht konkreter Wellenlängen als Schalter. Zwei Ansätze werden hier verfolgt: Zum einen forscht der Cluster an Strukturmotiven, die an Oberflächen der Reibkörper aufgebracht werden und sich dort durch über eine lichtinduzierte Reaktion miteinander reversibel vernetzen, um so die Reibung ähnlich eines Klettverschlusses zu erhöhen. Zum anderen erforscht der Cluster fotoreaktive Schmierstoffe. Diese enthalten reaktive Gruppen von Molekülen, die sich bei Lichteinstrahlung ebenfalls miteinander verbinden können und so eine Viskositätserhöhung des Schmierstoffs herbeiführen. Die Reversibilität wird über das Lösen der Molekülverbindungen durch Einstrahlen von Licht einer anderen Wellenlänge sichergestellt.

nach oben

Publikationen

Referierte Zeitschriften

Chalissery, Dilip; Schönfeld, Dennis; Walter, Mario; Shklyar, Inga; Andrä, Heiko; Schwörer, Christoph; Amann, Tobias; Weisheit, Linda; Pretsch, Thorsten; Highly shrinkable objects as obtained from 4D printing, Macromlecular Materials and Engineering 307/1 (2022) Art. 2100619, 12 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, ITWM, IWM, IWU

Gatti, Felix Amann, Tobias; Kailer, Andreas; Baltes, Norman; Rühe, Jürgen, Gumbsch, Peter; Towards programmable friction: Control of lubrication with ionic liquid mixtures by automated electrical regulation, Scientific Reports 10/1 (2020) Art. 17634, 10 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, ICT

Gäbert, Chris; Rosenstingl, Tobias; Linsler, Dominic; Dienwiebel, Martin; Reinicke, Stefan; Programming viscosity in silicone oils: Reversible tuning of rheological properties in 9-anthracene ester-terminated polydimethylsiloxanes, ACS Applied Polymer Materials 2/12 (2020) 5460-5468
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, IAP

Unreferierte Zeitschriften

Gatti, Felix; Amann, Tobias; Kailer, Andreas; Abicht, Johannes; Rabenecker, Peter; Baltes, Norman; Rühe, Jürgen; Makroskopische Reibwertsteuerung durch elektrochemische Potentiale mit ionischen Flüssigkeiten, Tribologie und Schmierungstechnik 66/4-5 (2019) 51-57
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, ICT, IWU

Tagungsbände

Beyer-Faiss, Susanne; Korth, Yasmin; Amann, Tobias; Schubert, Thomas; Plebst, Sebastian; Novel nanocomposite with ionic liquid and graphene for electroconductive radial plain bearings, in Proc. of 23rd International Colloquium Tribology: Industrial and Automotive Lubrication 2022 Vol. 23; Fatemi, A.; Pauschitz, A.; Topolovec-Miklozic, K. (Eds.); expert verlag, Deutschland (2022) 33-35
Beteiligte Institute des Clusters: IWM

Linsler, Dominic; Gäbert, Chris; Reinicke, Stefan; Rangova, Theodora; Schlüter, Florian; Dienwiebel, Martin; Reversible viscosity tuning using UV light, in Proc. of 23rd International Colloquium Tribology: Industrial and Automotive Lubrication 2022 Vol. 23; Fatemi, A.; Pauschitz, A.; Topolovec-Miklozic, K. (Eds.); expert verlag, Deutschland (2022) 65-66
Beteiligte Institute des Clusters: IWM

Beyer-Faiss, Susanne; Korth, Yasmin; Amann, Tobias; Schubert, Thomas, Plebst, Sebastian; Tribological behavior of electrically conductive lubricants and adapted nanocomposites in sliding bearings using ionic liquids and graphene, in Tagungsband Reibung, Schmierung und Verschleiß: Forschung und praktische Anwendungen, 62. Tribologie-Fachtagung 2021; Gesellschaft für Tribologie e.V, Aachen (2021) 32/1-32/11
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM

Gatti, Felix; Amann, Tobias; Kailer, Andreas; Baltes, Norman; Rabenecker, Peter; Marx, Benedikt; Rühe, Jürgen; Makroskopische Reibwertsteuerung mit elektrischen Potenzialen unter Verwendung ionischer Flüssigkeitsgemische, in Tagungsband Reibung, Schmierung und Verschleiß: Forschung und praktische Anwendungen, 62. Tribologie-Fachtagung 2021; Gesellschaft für Tribologie e.V., Aachen (2021) 30/1-30/4
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, ICT, IWU

Linsler, Dominic; Gäbert, Chris; Rosenstingl, Tobias, Wirth, Lukas; Reinicke, Stefan; Dienwiebel, Martin; Böker, Alexander; Schaltbare Viskosität zur Kontrolle der Reibung, in Tagungsband Reibung, Schmierung und Verschleiß: Forschung und praktische Anwendungen, 62. Tribologie-Fachtagung 2021; Gesellschaft für Tribologie e.V., Aachen (2021) 29/1-29/2
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, IAP

Gatti, Felix; Amann, Tobias; Kailer, Andreas; Abicht, Johannes; Rabenecker, Peter; Baltes, Norman; Rühe, Jürgen, Macroscopic friction value control by electrochemical potentials with ionic liquids, in Proc. of 22nd International Colloquium Tribology: Industrial and Automotive Lubrication 2020, Fatemi, A. (Ed.); Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, Germany (2020 ) 301-302
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, IWU, ICT

Kappe, Konstantin; Gustmann, Tobias; Gutmann, Florian; Stilz, Maximilian; Hoschke, Klaus, Metallic metamaterial with bistable behavior; in Proc. of 5th Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference DDMC 2020; Müller, B. (Hrsg.) Fraunhofer-Verlag, Stuttgart (2020) 6 S.
Beteiligte Institute des Clusters: EMI, IWU

Gatti, Felix; Amann, Tobias; Kailer, Andreas; Rabenecker, Peter; Baltes, Norman; Rühe, Jürgen, Makroskopische Reibwertsteuerung durch elektrochemische Potentiale mit ionischen Flüssigkeiten, Reibung, in Tagungsband 59. Tribologie-Fachtagung  2018 - Schmierung und Verschleiß, Forschung und praktische Anwendungen Band 2/Schmierstoffe & Schmiertechnik; Gesellschaft für Tribologie e. V. GfT Aachen (2018) 68/1-68/4
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, ICT, IWU

Vorträge

Linsler, Dominic
Reversible viscosity tuning using UV light
TAE Esslingen
online, Deutschland; 24.01.2022-26.01.2022

Gatti, Felix
Lubrication control with electrical potentials using ionic liquid mixtures
62. Tribologie-Fachtagung 2021 - Reibung, Schmierung und Verschleiß.
Forschung und praktische Anwendungen
online, Deutschland; 27.09.2021-29.09.2021

Gatti, Felix
Lubrication control with electrical potentials using ionic liquid mixtures - considerations on different size scales to clarify the mechanisms
4th Young Tribology Congress 2021
online, Deutschland; 07.06.2021-08.06.2021

Lichti, Tobias
Surrogate modelling and optimization of unit-cell based programmable metamaterials
XXVII Conference on Computer Methods in Materials KomPlasTech 2021
virtuell, Polen; 08.03.2021-09.03.2021

Linsler, Dominic
Reversibly tunable viscosity of anthracene functionalized silicone oil
62. Tribologie-Fachtagung 2021 - Reibung, Schmierung und Verschleiß. Forschung und praktische Anwendungen
online, Deutschland; 27.09.2021-29.09.2021

Kailer, Andreas
Programmierbare Reibung
Fraunhofer-Symposium Netzwert 2019 »MOMENTUM«
München, Deutschland; 26.02.2019-27.02.2019

Amann, Tobias
Programmierbare Reibung
NORTEC 2020
Hamburg, Deutschland; 24.01.2020-24.01.2020

Gatti, Felix
Programmable friction (macroscopic friction value control by electrochemical potentials with ionic liquids)
22nd International Colloquium Tribology: Industrial and Automotive Lubrication 2020
Ostfildern, Germany, Deutschland; 28.01.1020-30.01.2020

Linsler, Dominic
Reversibly tunable viscosity of anthracene functionalized silicone oil
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020-25.09.2020

Linsler, Dominic
Reversibly tunable viscosity of anthracene functionalized silicone oil
GfT online, Deutschland; 28.09.2020-30.09.2020

Gatti, Felix
Makroskopische Reibwertsteuerung durch elektrochemische Potentiale mit ionischen Flüssigkeiten
59. Tribologie-Fachtagung der Gesellschaft für Tribologie e.V. GFT 2018 „Reibung, Schmierung und Verschleiß – Forschung und praktische Anwendung
Göttingen, Deutschland 24.09.2018-26.09.2018

Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Ansätze zur Beeinflussung der Reibung von funktionalisierten Oberflächen mittels Licht (M)

Entwicklung eines elektrisch leitfähigen Schmierstoffes für Polymergleitlager (B)

Konstruktive Auslegung eines Kupplungsdemonstrators mit elektrisch schaltbarer Reibung (B)

Schaltbare Viskosität an funktionalisierten PAG (B)

Viskositätsschaltbare Silikonöle (B)

Viskositätsschaltbare Silikonöle (M)

Wissenschaftliche Preise

Nachwuchswissenschaftspreis für hervorragende wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Werkstoffmechanik im Rahmen von akademischen Abschlussarbeiten und Dissertationen Fraunhofer IWM an PM2 für »Viskositätsschaltbare Silikonöle« 14.06.2021, Deutschland

nach oben