Ausgezeichnete quantenchemische Simulationen für Energiewende-Visionen

Die Simulationen im Forschungsprojekt »Ab-initio-Untersuchung von Grenzflächen: Eigenschaften und Reaktionen« benötigen enorme Computer-Rechenzeit: Die virtuellen Untersuchungen molekularer Reibungs- und Verschleißprozesse an unterschiedlichen Kohlenstoffhartschichten bis hin zu sonnengetriebenen quantenchemischen Reaktionen an Oberflächen neuer Halbleitermaterialien benötigen Millionen von Prozessorstunden. »Seit nunmehr 15 Jahren nutzen wir die Supercomputer am John von Neumann-Institut für Computing, NIC, für derartige Berechnungen mit und erweitern damit die Kapazitäten an unserem Institut enorm«, erläutert Prof. Michael Moseler, Leiter der Gruppe »Multiskalenmodellierung und Tribosimulation« des Fraunhofer IWM, MicroTribologie Centrum µTC. Das NIC, das als Einrichtung dreier Helmholtzzentren Supercomputer-Rechenzeit für Forschungsprojekte bereitstellt, zeichnete das Projekt als »John von Neumann Exzellenzprojekt« aus und stellte den Simulationsexpertinnen und -experten großzügige zusätzliche Rechenzeit zur Verfügung.

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»Wir forschen zurzeit an pfiffigen Katalysatoren, die mit Sonnenenergie Wasserstoff aus Wasser produzieren«, so Moseler. Damit soll dann mit dem Kohlendioxid aus Abgasen von Fabrikanlagen der synthetische Kraftstoff Oxymethylenether OME hergestellt werden. »Das wäre dann schon in der Herstellung ein großer Beitrag zur CO2-neutralen Mobilität und hätte später ebenso bei der Nutzung des Kraftstoffs im Fahrzeug Vorteile, denn OME verbrennt rußfrei«, sagt Moseler. Für die Wasserstoffproduktion und die Weiterverarbeitung zu flüssigen Kraftstoffen betrachtet er unterschiedliche Elektroden- und Katalysatormaterialien um Vorhersagen für besonders effiziente Lösungen treffen zu können. Hierbei stellt Moselers Gruppe das Valenzelektronensystem der betrachteten Materialien mittels quantenmechanischen Simulationen nach. Aus den Ergebnissen lassen sich die elektronischen und mechanischen Eigenschaften der betrachteten Grenzflächen vorhersagen. »Damit untersuchen wir, was an Oberflächen von Materialien passiert, wenn beispielsweise Sonnenenergie darauf einwirkt oder sich Edukte während der Kraftstoffsynthese daran anlagern oder wir untersuchen, wie eine Oberfläche bei Reibung mit einer Gegenfläche reagiert, zum Beispiel bei Lagern in Automotoren«, erklärt der Materialforscher.

Mit diesen Untersuchungsmethoden ist die Gruppe von Moseler weltweit führend. In Industrieprojekten der Automobilbranche entwickelt sie Lösungen, um neuartige Schmierstoffe an die Beschichtungen von Motorzylinder-Bauteilen anzupassen oder deren Kohlenstoff-Beschichtungen zu optimieren. Auch in diesen Themen stecken enorme Potenziale, den CO2-Ausstoß in der Mobilität zu verringern: Je weniger Reibung in den Motoren auftritt, desto weniger Treibstoff wird für die gleiche Fahrstrecke benötigt.

Kontakt:

Prof. Dr. Michael Moseler
Telefon +49 761 5142-332

Tribologie des Systems Nockenwelle-Haube

Die Oberflächen technischer Werkstoffe werden durch Kräfte und chemische Substanzen, welche im letzten Bearbeitungsschritt der Fertigung einwirken, maßgeblich beeinflusst. Die Wirktiefe der Endbearbeitung liegt zwischen wenigen Nanometern bis zu circa zehn Mikrometern. In diesen Bereichen gibt es eine zum Grundgefüge veränderte Morphologie sowie eine modifizierte chemische Zusammensetzung, die das Reib- und Verschleißverhalten im Grenz- und Mischreibungsbereich des Tribokontakts bestimmen. Die betrachtete Werkstoffpaarung, St52-3 gegen AlSi10Mg, entspricht dem Werkstoffsystem einer Nockenwellenlagerung. Die Lagerung im Aluminium wurde durch Drehen hergestellt, während die Welle durch Polymerläppen konditioniert wurde.

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Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde das Polymerläppen mit einer Druckvariation von 1 bis 4 bar beurteilt, was einem Gesamtenergieeintrag von 480 bis 1200 J entspricht. Bei Drücken von 3 bis 4 bar war dieser druckinduzierte Energieeintrag ausreichend groß, um ein stabiles Einlaufverhalten mit kleinen Reibwerten und geringem Verschleiß im Grenz- und Mischreibungsbereich herzustellen. Im Gegensatz dazu war der Energieeintrag mit einem Läppdruck von 1 bis 3 bar zu gering. Dies führte zu einer doppelt so großen Reibung und erhöhtem Verschleiß beziehungsweise zum Fresser. Der Zusammenhang zwischen Energieeintrag und dem sich dadurch einstellenden Reib- und Verschleißverhalten wurde anhand zweier Charakteristika des oberflächennahen Werktoffbereichs nachvollzogen. Zum einen waren dies die Tiefe des durch Kornverfeinerung verfestigten, oberflächennahen Gefügebereichs und zum anderen die Adsorption einer organischen Grenzschicht. Zwischen Energieeintrag und erreichter Tiefe mit verfeinertem Gefüge besteht ein linearer Zusammenhang.

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ERC Grant für Christian Greiner

Am KIT Teil des µTC untersucht Dr. Christian Greiner, wie sich Metalle in Reibkontakten verhalten. Ziel seiner Arbeiten ist es durch die Reduzierung von Reibung und Verschleiß den Verbrauch an Energie und Rohstoffen zu verringern. Der Europäische Forschungsrat (European Research Council – ERC) hat Dr. Greiner nun mit einem Consolidator Grant ausgezeichnet und fördert ihn in den kommenden fünf Jahren mit zwei Millionen Euro.

Portrait: Dr. rer. nat. Christian Greiner, Institut für Angewandte Materialien Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen IAM-ZBS copyright by KIT Presse, Kommunikation und Marketing Abdruck honorarfrei im redaktionellen Bereich Belegexemplar erbeten *** Local Caption *** Portrait: Dr. rer. nat. Christian Greiner

Die Forscher um Dr. Greiner werden dazu in einem einmaligen Ansatz Reibexperimente mit Methoden der zerstörungsfreien Prüfung sowie mit Data Science-Algorithmen und hochauflösender Elektronenmikroskopie koppeln. Ziel des Projekts ist es, Leitlinien zur Entwicklung von Materialien mit maßgeschneidertem Reib- und Verschleißverhalten aufzustellen.

Wie hängen motorischer Einlauf und Endbearbeitung zusammen?

Die Einlaufzeit zweier geschmierter, unter Belastung stehender Körper in Relativbewegung ist entscheidend für das Erreichen von niedrigen Reibungskoeffizienten und ultrakleinen Verschleißraten. Während des Einlaufs kommt es zu Veränderungen der Topographie, der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur der Randzone. Am µTC wurden Untersuchungen zum Einlaufverhalten von 2 Stählen unterschiedlicher Härte durchgeführt. Geschwindigkeit und Normalkraft wurden mit dem Ziel variiert, einen optimalen Einlaufpunkt zu finden und dabei Verschleißraten im Bereich von wenigen Nanometern pro Stunde zu erreichen.

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Der Fokus der Analysen wurde auf die mikrostrukturelle und chemische Ausbildung der Randzone sowie die topographischen Veränderungen gelegt. Es sollten Erkenntnisse über die während des Einlaufs ablaufenden mechano-chemischen Vorgänge und deren Einfluss auf das spätere Systemverhalten erlangt werden. Materialanalysen zu verschiedenen Zeitpunkten des Einlaufs wurden mit Hilfe von FIB, TEM, XPS und WLI durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine durch Läppen initial verfestigte Randzone eine deutliche Reduktion von Reibungs- und Verschleißwerten nach dem Einlauf zeigt, wenn der initiale Belastungszustand durch die Erhöhung der Normalkraft in Richtung des Grenzreibungszustandes verschoben ist. Im Gegensatz dazu zeigte ein System, welches poliert wurde, schon bei geringen Normalkräften Instabilitäten und musste bei niedrigen Lasten vorkonditioniert werden. Die Randzone wurde dabei schrittweise, ohne inhomogenes Verhalten zu initiieren, verfestigt.

Homogenes Verhalten der initialen Mikrostruktur bei plastischer Deformation unter der aufgebrachten Belastung ist entscheidend für ein stabiles Einlaufverhalten des Systems. Kann die plastische Deformation im Reibkontakt homogen ablaufen, kommt es unter Scherbelastung zur Ausbildung einer nanokristallinen Randzone, welche das Material verfestigt und verschleißresistent macht. Darüber hinaus zeigte sich, dass der Eintrag von Kohlenwasserstoffen aus dem Schmiermittel in die Randzone, welche dem Mechanismus der mechanischen Vermischung zuzuordnen ist, entscheidend für die Ausbildung kleiner Reibung ist.

Wälzlagerschmierung mit Kupferkolloiden

Ein neuartiges Schmierstoffadditiv basierend auf Kupferkolloiden wurde hinsichtlich seiner tribologischen Wirkung untersucht. Die tribologischen Untersuchungen erfolgten mit Tribometern (Minitraction Machine, Tribomesszelle, Stift-Scheibe Tribometer – teilweise mit Unterstützung durch Radionuklidtechnik) sowie mit Wälzlagertestern (Eigenbau und FE 8). Neben der Tribometrie wurden die Oberflächen mit Photoelektronenspektroskopie bzgl. chemischer Zusammensetzung, Rasterkraftmikroskopie zur Sichtbarmachung der Nanostruktur des Additivs sowie Focused Ion Beam Mikroskopie zur Aufklärung der Gefügemikrostruktur untersucht.

wälzlager

Aus diesen komplexen Untersuchungen ergab sich ein umfassendes Bild von Aufbau und Wirkungsweise des Additivs. Grundsätzlich kann von einem Dreiphasenprozess der tribologischen Wirkung ausgegangen werden. In Phase 1 kommt es zu einem Adsorptionsprozess, der die Oberflächen mit einem Reibungsmodifizierer überzieht und so instantan den Reibungskoeffizienten verringert. In Phase 2 gelangen Kupfernanopartikel an die Oberfläche und es laufen Redox Reaktionen ab, in deren Folge sich Kupfermonolagen bilden. Es kommt also zur Bildung eines Festschmierstoffes. Als letzter Schritt folgt dann in Phase 3 plastisches Fließen und mechano-chemische Vermischung und Reaktion, die zur Bildung des dritten Körpers, d.h. eines in den Reibkörper eingebauten haltbaren und sich permanent selbst erhaltenden Festschmierstoffs, führen. Sowohl die Tribometerversuche als auch die FE8 Tests zeigten eine signifikante Verringerung der Reibung bei gleichzeitig erhöhter Lebensdauer.

 

Abrasion leicht gemacht

Das MikroTribologie Centrum verfügt über einen neuen Abrasionstester. Das Gerät stellt eine Abrasionsprüfeinrichtung in Anlehnung an die ASTM-G65 04 dar. Bei dieser Prüfmethode wird trockener Sand oder eine Sand/Wasser-Suspension zwischen ein rotierendes Reibrad und eine Gegenprobe gebracht. Der so entstehende Abrasionsverschleiß kann anschließend quantifiziert werden.

Abrasionsprüfstand_klein

Als Ausgabewerte der Abrasionsversuche sind folgende Kennwerte bestimmbar:

  • Verschleißvolumen
  • Verschleißtiefe
  • Reibwert
  • mikroskopische Analyse der Oberfläche
  • Veränderung der Rauigkeit

Geschmierte Polymer – Stahlkontakte haben Tücken

Wenn Polymere mit Schmierstoffen in Kontakt kommen, beginnen komplexe Prozesse, die zu unerwarteten tribologischen Reaktionen führen können. Durch die Benetzung der Polymer- und Stahloberfläche getrieben, verbinden oder separieren die Schmierstoffe die Oberflächen. Teilweise kommt es zum Anlösen der polymeren Oberflächen, die tribologisch vorteilhaft sein können, sich aber in anderen Fällen  auch negativ auswirken können.

Polymertribologie

Ein neuer Artikel, der im Fachjournal “Lubricants” erschienen ist, analysiert die energetischen Eigenschaften der Oberflächen mittels Benetzungstests. Mittels umfangreichen Berechnungen wurden die Energieanteile separiert, die zu Spreitung, Adhäsion oder Oberflächenanlösung führen. Diese Energiebeträge wurden dann in Relation zur gemessenen Reibung gebracht und bewertet.

Es zeigt sich, dass diese Methode neue Einsichten in die Polymer- und Schmierstoffentwickung ermöglicht. Tribosysteme können auf der Basis des beschriebenen Modells besser abgestimmt werden. Darüber hinaus können Empfehlungen für die Polymer- und Ölauswahl getroffen werden.

 

Unser Motto “Reibung berechenbar machen” gilt nun auch für Ski

In einem neuen Artikel in der renomierten Fachzeitschrift ” Cold Regions Science and Technology” gelang es Roman Böttcher, Marc Seidelmann und Matthias Scherge einen Beitrag zur detaillierten Berechnung der Reibung zwischen Ski und Schnee zu veröffentlichen. Der Artikel kann unter:

https://authors.elsevier.com/a/1VHfK_,O2s3Bxs

bis zum 16. August 2017 herunter geladen werden.

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Feierliche Eröffnung des µTC Prüfstandsgebäudes

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Im neuen Gebäude des MikroTribologie Centrums µTC in Karlsruhe können in Echtzeit Reibungs- und Verschleißmessungen durchgeführt werden, eine wichtige Voraussetzung, um das Einlaufverhalten neuer Reibpartner besser verstehen und beeinflussen zu können. Am 21. Juni wurde das Gebäude feierlich eröffnet. Katrin Schütz, Staatssekretärin im Landesministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau machte zusammen mit Ehrengästen aus Industrie, Fraunhofer-Gesellschaft und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit einem Schnitt durch das Eröffnungsband den Weg frei für neue Impulse und Innovationen bei der Minderung von Reibung und Verschleiß.