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.

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).

1a) Programmierbare Tribosysteme können in Kupplungs- und Positioniersystemen mechanische Bauteile ersetzen
1b) Beeinflussung der Wechselwirkung von ionischen Flüssigkeiten auf einer Oberfläche durch galvanisch induzierte elektrische Potenziale

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.

Publikationen

 

Referierte Zeitschriften

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 Seiten 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

 

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

Gatti, Felix;  Amann, Tobias; Kailer, Andreas; Abicht, Johannes; Rabenecker, Peter; Baltes, Norman; Rühe, Jürgen, in Proc. of 22nd International Colloquium Tribology: Industrial and Automotive Lubrication 2020, Fatemi, A. (Ed.); Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, Germany (2020 ) 301-302

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 Seiten

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

 

Vorträge

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, IWM
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 bis 26.09.2018


Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Viskositätsschaltbare Silikonöle (M)

Konstruktive Auslegung eines Kupplungsdemonstrators mit elektrisch schaltbarer Reibung (B)

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

 

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Demonstrator Programmierbare Kupplung