Umweltverträgliche Tribosysteme

Tribologische Systeme spielen bei der Leistungsübertragung und in Fertigungsprozessen eine wesentliche Rolle. Neben ihrer Leistungsfähigkeit bewirken sie auch ein ökologisches und ökonomisches Zusammenspiel in technischen Systemen. Das hieraus entstehende Gleichgewicht wird jedoch durch ein hohes ökotoxikologisches Risikopotential bei Verwendung mineralölbasierter und mit Additiven versehener Zwischensubstanzen beeinflusst. Aufgrund von Leckage können diese Zwischenstoffe in die Umwelt gelangen und dort Schäden verursachen. Darüber hinaus entsteht infolge unsachgemäßer Handhabung eine enorme Vergeudung von Ressourcen [Mang01].

Die Tribologie ist laut DIN 50323 die Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in Relativbewegung. Es werden die Teilgebiete Reibung, Verschleiß und Schmierung von ihr behandelt.

Die wichtigste Aufgabe eines Schmierstoffes ist es, die Reibung zwischen beweglichen Bauteilen und somit deren Verschleiß zu verringern. Die dadurch mögliche Einsparung von Energie ist gerade in der heutigen Zeit, in der Energie und Rohstoffe zunehmend als limitierende Ressourcen angesehen werden, von großer Bedeutung. Gleichzeitig werden Umweltaspekte wie Ökotoxizität und biologische Abbaubarkeit zunehmend wichtiger.

Der Leitgedanke des SFB 442 besteht in der Realisierung neuartiger umweltfreundlicher tribologischer Systeme. Bisherige tribologische Systeme werden hierbei derart modifiziert, dass die oberflächenaktiven Funktionen hochadditivierter mineralölbasierter und oftmals umweltbedenklicher Schmierstoffe auf die Werkzeug- und Bauteiloberflächen übertragen werden. Hierzu war die Entwicklung innovativer Werkstoffverbunde erforderlich, die die Aufgaben wie Verschleißschutz, Reibungsminimierung und Korrosionsschutz übernehmen können. Unter Werkstoffverbund sind in diesem Zusammenhang komplexe Systeme, bestehend aus Beschichtung und Grundwerkstoff zu verstehen, die entsprechend den auftretenden Beanspruchungen ausgelegt werden. Ein großes Potential bieten an dieser Stelle mittels PVD (Physical Vapour Deposition)-Technologien abgeschiedene Dünnschichtsysteme, da diese trotz geringer Schichtdicken (1–20 µm) beispielsweise einen hohen Verschleißschutz gewährleisten. Das geringe Aufmaß ermöglicht zudem die Beschichtung endkonturgetreuer Geometrien mit engen Form- und Maßtoleranzen, sodass mechanische Nachbehandlungen nicht mehr erforderlich sind.

Die Analyse und Optimierung der tribologischen Systeme hinsichtlich des Reibungs- und Verschleißverhaltens (Kap. 2) erfordert eine aussagekräftige Mess- und Prüftechnik. Die tribologische Prüftechnik kann nach [Czic82] in Prüfmethoden, -systeme und Analysemethoden eingeteilt werden. Die tribologische Prüftechnik kennzeichnet sich durch einen hohen technischen Stand aus, die unmittelbare Übertragbarkeit der Messergebnisse auf andere Prüfsysteme und auf reale Bauteile und Konstruktionen ist jedoch unsicher. Die Ergebnisse der Prüfungen sollten daher auf den untersuchten Verschleißfall bezogen werden.

Die Untersuchung der Beeinflussung der Zahnflankentragfähigkeit durch den Einsatz von PVD-Hartstoffschichten in Kombination mit Esterölen ist eine zentrale Aufgabe im SFB 442. Im Laufe des Projekts werden hierfür verschiedene Analogieversuche sowie standardisierte Testverfahren eingesetzt, mit denen eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt wird. In diesem Kapitel werden zunächst die verwendeten Prüfverfahren erläutert und im Anschluss die erzielten Ergebnisse zusammenfassend dargestellt.

Zielsetzung der Prozesskette Schmierstoffsynthese war es, eine Optimierung der Schmierstoffherstellung bezüglich der reaktionstechnischen und verfahrenstechnischen Zielgrößen zu erreichen und gleichzeitig die Gesichtspunkte der Schmierstoffeigenschaften zu beachten. Diese umfassten einerseits die umweltrelevanten bzw. ökologischen Eigenschaften bezüglich der Ökotoxikologie und der biologischen Abbaubarkeit, sowie die tribologischen Eigenschaften andererseits. Zusätzlich wurden gebrauchsbedingte Veränderungen bezüglich der ökologischen Eigenschaften untersucht (Abb. 7.1). Eine solche methodische Vorgehensweise ermöglicht die Rückkopplung der gewünschten Produkteigenschaften auf die Herstellungsweise. Dies ist hinsichtlich des rationellen Produktdesigns und zielorientierter, eigenschaftsbasierter Herstellung von neuen Substanzen und Substanzgemischen von essentieller Bedeutung [Hoff01]. Die Herausforderung besteht dabei darin, die Informationsgewinnung zu beschleunigen und den Kosten-, Personal- und Materialaufwand gering zu halten. Die Vorgehensweise richtet sich dabei nach den benötigten Substanzmengen, die in den Teilbereichen benötigt werden, um gewünschte Information zu gewinnen, sowie nach dem Aufwand und der Dauer der experimentellen Tests. Dazu wurden die potentiellen Schmierstoffe hergestellt (Kap. 3.1) und ökotoxikologisch sowie chemisch analytisch charakterisiert (Kap. 3.2). Die so identifizierten Schmierstoffe wurden dann den Prozessketten zur Verfügung gestellt und dort verwendet (Kap. 7.2–7.5). Die Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der ökologischen Eigenschaften erlaubt eine umfassende Bewertung und ist ein noch weitgehend unbekannter, aber wichtiger Aspekt in Hinsicht auf die Ökobilanz (life cycle analysis) von Schmierstoffen (Kap. 5.2).

Die Datenbank enthält die tribologischen und stofflichen Daten, die innerhalb des Sonderforschungsbereichs 442 ermittelt wurden. Sie wird genutzt, um Informationen über die Eigenschaften von Schmierstoffen und Werkstoffverbunden, sowie über Prüfstände und Versuchsergebnisse zu erhalten. Diese Wissensbasis kann dazu beitragen, ökologisch verträgliche Tribosysteme mit Hilfe der Auswerte-Systeme (Module) auszulegen. Dabei handelt es sich um Berechnungswerkzeuge und Expertenwissen z. B. in Bezug auf die Auswahl von Schichtsystemen. Eine nähere Beschreibung der Auswerte-Systeme kann den folgenden Abschnitten entnommen werden.

Die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 442 (SFB 442) erarbeiteten Ergebnisse zeigen die Leistungsfähigkeit tribologischer Systeme bei Verwendung nativer Ester in Kombination mit PVD-Werkstoffverbundschichten. Gegenstand der Untersuchungen waren die tribologischen Systeme einer Werkzeugmaschine, wie z. B. Zahnräder, Wälz- und Spindellager, Kolben einer hydraulischen Pumpe sowie Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide und Tiefziehwerkzeuge.