Forschungsfeld Tribologie

Das Forschungsfeld Tribologie vernetzt Akteure aus Wissenschaft und Industrie branchenübergreifend unter dem Dach des Forschungsnetzwerks in Industrie und Gewerbe. Als Schnittstelle zwischen Politik, Wissenschaft und Wirtschaft bündelt es die Forschung zur Tribologie, einem Schlüsselthema für eine energieeffiziente Industrie der Zukunft.

 

Reibung und Verschleiß minimieren

 

Die Wissenschaft der Tribologie beschreibt Reibung, Schmierung und Verschleiß sich gegeneinander bewegender Oberflächen. Je weniger Reibung, desto geringer sind die Energieverluste und desto höher ist die Lebensdauer der sich aneinander reibenden und damit verschleißenden mechanischen Komponenten. Von diesen Effekten hängen Leistung und Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs ab, aber auch Lebensdauer und Wartungskosten von Landmaschinen oder Pumpen.

 

Um die Prozesse der sich gegeneinander reibenden Kontaktflächen in Maschinen wie Motoren, Lagern oder Pumpen energetisch zu optimieren, müssen die Wissenschaftler die Interaktion genauer verstehen:

 

  • Welche Rolle spielt das Material, die Form der Oberfläche oder die Chemie des Schmierstoffs?
  • Welchen Einfluss haben Temperatur und Luftfeuchtigkeit?
  • Wie rau oder glatt müssen die im Tribokontakt stehenden Flächen sein?

 

Ziel ist nicht nur, den Verschleiß möglichst gering und die Lebensdauer der einzelnen Komponenten möglichst hoch zu halten. Benötigt werden auch wirtschaftliche Fertigungsverfahren und möglichst umweltschonende Betriebsstoffe. Für die Industrie stecken in der Tribologie beachtliche Einsparpotenziale, die es weiter zu erforschen gilt.

 

 

Anwendungsnahe Forschung bringt schnelle Effizienzverbesserung

 

Das BMWi fördert innovative Technologien und Konzepte in diesem Bereich und setzt seine Vernetzungsstrategie in der Energieforschung mit dem Forschungsfeld Tribologie fort. Die geförderten Forschungsverbünde POSEIDON, PEGASUS und CHEOPS ergänzen sich beispielhaft mit der übergreifenden Erforschung unterschiedlicher Teilgebiete. Mit den Erkenntnissen aus diesen Projekten kann künftig eine Vielzahl von industriellen Anwendungen optimiert werden, bei denen Kräfte übertragen werden. Radlager, bei denen die Reibung etwa um die Hälfte gegenüber konventionellen Lagern reduziert ist, sind bereits entwickelt. Auch ein im Vorhaben PEGASUS entwickeltes Achsöl, das Energieverluste minimiert, ist bereits am Markt eingeführt.

 

Zwölf Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft haben in den vom BMWi mit rund 18 Millionen Euro geförderten Projekten PEGASUS I und II unter anderem diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC – aus dem Englischen "diamond like carbon") für Antriebsstränge und Komponenten im Motor von Fahrzeugen erforscht. Bauteile im Auto, wie zum Beispiel Kolbenring oder Getriebezahnräder, könnten künftig mit speziellen DLC-Schichten überzogen sein, die zusammen mit angepassten Schmiermitteln eine extrem niedrige Reibung gewährleisten. Die neu entwickelte Kombination aus Material und dem passenden Fertigungsverfahren ergibt eine Oberfläche, die sich neben der außerordentlichen Gleitfähigkeit auch durch Antihafteigenschaften, chemische Stabilität und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit auszeichnet.

 

Im 2015 gestarteten und vom BMWi mit rund 7 Millionen Euro geförderten Vorhaben CHEOPS bauen die Forscher auf diesen Ergebnissen auf. Sie entwickeln geeignete Schichten für Getriebe, Lager und Ketten speziell für Tribosysteme mit langsamen Bewegungsabläufen, beispielsweise für Landmaschinen. Schmiermittel bilden hier keinen homogenen Film aus. In einigen Fällen wird der Schmierstoff nahezu komplett verdrängt, sodass die Systeme zumindest zeitweise unter Mangelschmierung oder sogar ungeschmiert laufen. Die Forscher untersuchen in CHEOPS das Reibungsverhalten vielfältiger Schichtarten mit geeigneten Schmierstoffen: Sie wollen Verfahren entwickeln, mit denen sie die verschiedenen Verschleißangriffen ausgesetzten Schichten auf die Komponenten dauerhaft aufbringen können. Und sie wollen herausfinden, ob Maschinen im Betrieb eine kontinuierliche minimale Schmierung durch Öle oder Fette brauchen oder mit einer nur einmaligen initialen oder sogar ganz ohne Schmierung betrieben werden können. Die Wissenschaftler sehen in der Anwendung der DLC-Schichten sowie spezieller Festschmierstoff-Schichten und einer vereinfachten Bauteilegeometrie Chancen für eine Reduktion des Energieverlusts um bis zu 50 Prozent.

 

Im Verbundvorhaben POSEIDON (Fördersumme rund 4 Millionen Euro) haben Wissenschaftler die Lager in Pumpen der Nahrungsmittelindustrie, chemischen Industrie sowie in Windenergieanlagen oder Meeresenergieanlagen betrachtet. Diese Lager sind hohen statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt und müssen gegen korrosiv wirkende Fluide gekapselt sein. Mit dem Verzicht auf Dichtungen können bis zu 30 Prozent Reibungsverluste eingespart werden.

 

 

Kompetenzvernetzung im Forschungsfeld

 

Mit dem Forschungsfeld Tribologie setzt das BMWi neue Forschungsimpulse und stärkt die Position der deutschen Industrie im internationalen Wettbewerb.

 

In Zukunft wird es vor allem darum gehen, robuste und wirtschaftliche Systeme für die Praxis zu entwickeln, die Maschinen energieeffizient zu optimieren und ihre Lebensdauer zu erhöhen. Der Austausch und Transfer von Ergebnissen aus geförderten Vorhaben innerhalb des Forschungsfelds ermöglichen eine effektive und effiziente Forschung zur Verbesserung der Energieeffizienz. Für die Wissenschaftler besteht hier ein Forum, in dem sie sich austauschen und Technologien weiterentwickeln und weiterdenken können. Die Akteure integrieren das Thema Tribologie auch verstärkt in die Lehre und tragen so dazu bei, das gesammelte Wissen für nachfolgende Forscher zu erschließen und künftige Einsparpotenziale zu heben.

 

Tribologische Fragestellungen haben große volkswirtschaftliche Bedeutung: Die durch Reibung und Verschleiß verursachten volkswirtschaftlichen Schäden betragen nach Schätzungen der Gesellschaft für Tribologie e.V. in Industrieländern zwischen 2 und 7 Prozent) des Bruttosozialprodukts.

Förderkonzept

Das Förderkonzept Eneff:IGHD wurde mit dem am 10. Juni 2016 gegründeten Forschungsnetzwerk Energie in Industrie und Gewerbe aktualisiert: Neben strategische Schlüsselthemen, die in den Forschungsfeldern gebündelt sind, tritt parallel die unabhängige Förderung von nicht zusammenhängenden Einzelthemen.

Förderkonzept EnEff:IGHD
(pdf als externer Download)