Ohne Wälz- oder Kugellager liefe in Maschinen und Motoren nichts. Durch Reibung und Verschleiß gehen in jedem Lager jedoch sowohl Energie als auch Material verloren. Bessere Reibeigenschaften zeigen Lager der Firma Cerobear, deren Oberfläche am Fraunhofer IGB mittels Plasmatechnik modifiziert wurde: Die Reibung der beschichteten Lager ist bis zu 50 % reduziert.
Im Verbundprojekt Nanodyn hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Forschung eine neuartige Plasma-Oberflächenbeschichtung entwickelt. Durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen verändert sie gezielt das Benetzungsverhalten von Oberflächen gegenüber Schmierstoffen, Wasser und Reinigungsmitteln und vermindert so Reibung, Verschleiß und Korrosion.
Hierzu modifizieren die Fraunhofer-Forscher die Hybrid-Hochleistungslager aus metallischen und keramischen Bauteilen der Firma Cerobear in einem Plasmareaktor, in dem durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Spannung Moleküle eines Plasmagases angeregt und fragmentiert werden. „Die hochreaktiven Gasmolekül-Bruchstücke werden nun auf der Oberfläche der Wälzlager angekoppelt – es bildet sich eine Schicht“, erläutert Dr. Michael Haupt, der das Projekt am Fraunhofer IGB leitet. „Durch Optimierung von Art und Menge des Plasmagases, Temperatur, Druck und Behandlungszeit konnten wir nur wenige Nanometer dünne Schichten erzeugen, welche die Benetzungseigenschaften der Lageroberflächen in der gewünschten Weise beeinflussen“, erklärt Experte Haupt.
Auf diese Weise konnten die Forscher eine Beschichtung etablieren, die die tribologischen Eigenschaften der Hybrid-Wälzlager bei einer Schmierung mit Perfluorpolyether (PFPE) deutlich verbesserte. “Durch die Plasma-Oberflächen-beschichtung konnten wir die Reibung um bis zu 50 Prozent reduzieren“, schildert Dr. Michael Haupt. Auch für Wälzlager, die in wässrigen Medien eingesetzt werden, konnten die Forscher die Reibung deutlich vermindern – um bis zu 40 %. Solche Wälzlager sind für Abfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie geeignet, in denen Saft oder Milch abgefüllt wird. Hier kommt außerdem zum Tragen, dass das angepasste Benetzungsverhalten der verschiedenen Oberflächen auch die Reinigung der Lager verbessert. „So wird einerseits die Gefahr der Keimbildung während des Abfüll-prozesses reduziert. Andererseits kann die Anzahl der Reinigungszyklen herabgesetzt werden“, so Haupt.
Durch die Oberflächenbeschichtung haben die Lager auch eine längere Lebenszeit. Denn die Beschichtung schützt ebenso vor Korrosion durch Luftfeuchte. Und durch die Verminderung von Reibung kann die Energie für den Betrieb der Maschine, die sonst durch Wärme verloren geht, eingespart werden. Der Energieverlust einer typischen Flaschen-Abfüllanlage mit etwa 200 Wälzlagern würde sich dabei von 5 kW auf 1,5 bis 2 kW reduzieren. Beschichtete Wälzlager verbessern somit die Wirtschaftlichkeit ebenso wie die Ressourcen- und Energieeffizienz.
Quelle: Fraunhofer IGB
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