Reibung vernichtet Energie. Weltweit gehen 20 % der erzeugten Energie durch sie verloren. Mit neuen Materialien, Oberflächen und Schmierstoffen könnten langfristig 40 % davon eingespart werden – das entspricht CO2-Emissionen von mehr als drei Gigatonnen pro Jahr. Einen Weg dorthin eröffnet die Supraschmierung in Maschinenelementen. Fraunhofer-Forschende arbeiten gemeinsam mit Industriepartnern daran, diese vom Labor in die Anwendung zu bringen.
In technischen Anlagen wird Reibung vielfach über Wälz- oder Gleitlager reduziert: Gleitlager punkten mit einem einfachen Aufbau und niedrigen Kosten, weisen allerdings Reibwerte von ca. 0,1 auf und eine sinkende Energieeffizienz bei höheren Drehzahlen. Wälzlager kommen zwar auf Reibwerte von lediglich 0,01, jedoch sind sie komplizierter aufgebaut, lauter und teurer. Daher greifen Konstrukteure – den höheren Reibwerten zum Trotz – vielfach auf die einfacheren Gleitlager zurück.
Weniger Reibung durch Supraschmierung
Eine Lösung, damit Gleitlager ebenso ressourceneffizient wie Wälzlager werden, könnte künftig die Supraschmierung sein: Sind Materialien, Oberflächen und Schmierstoff sehr gut aufeinander abgestimmt, werden extrem niedrige Reibwerte realisierbar. Bislang lassen sich suprageschmierte Modellsysteme im Labor realisieren. Die Herausforderung ist deren Langzeit- und Temperaturstabilität unter Praxisbedingungen. Auch sind vielfach spezielle Materialien notwendig, die nur unter einer bestimmten Gasatmosphäre stabil sind.
Mühelos einen Elefanten verschieben
Forschende der Institute Fraunhofer IWM, IWS, IKTS und IPA arbeiten im Projekt „Supra Slide“ daran, die Supraschmierung vom Labor in die Anwendung zu bringen – in enger Wechselwirkung mit Industrieunternehmen. „Unser Ziel ist, in verschiedenen Anwendungen Supraschmierung zu erreichen. Ganz konkret wollen wir mit einfach aufgebauten und kostengünstigen Gleitlagern Reibwerte erzielen, die diejenigen der Wälzlager erreichen oder sogar noch darunter liegen“, sagt Dr. Tobias Amann, stellvertretender Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Reibwerte von 0,01 oder noch geringer sind das Ziel. Würde man einen solchen Reibwert auf eine Platte übertragen, auf der ein fünf Tonnen schwerer Elefant steht, könnte ein Mensch den Dickhäuter samt Platte mühelos verschieben.
Minimale Reibung: Baukasten für Supragleiter
Erste vielversprechende Ergebnisse hat das Forschungsteam bereits erzielt. „Wir haben unterschiedliche Material- und Schmierstoffkombinationen identifiziert, die bei einem breiten Lastkollektivfenster Supraschmierung erreicht haben und konnten dieses Reibniveau stabil über einen längeren Versuchszeitraum aufrecht halten. Den Schritt vom Modellversuch in den anwendungsnahen Versuch für ein axiales Gleitlager haben wir bereits gemeistert“, fasst Moras zusammen. Zum Projektende im Frühjahr 2024 soll zum einen ein Baukasten für Supragleitlager stehen, die eine Energieersparnis zu herkömmlichen Gleitlagern von 90 % ermöglichen, und zum anderen drei suprageschmierte Demonstratoren: Die Achse eines Elektromotors für E-Bikes, eine Pumpe mit entsprechenden Gleitlagern und Gleitringdichtungen sowie ein Positionierungssystem für die Robotik.
Kontakt:
Fraunhofer IWM
Dr. Gianpietro Moras
E-Mail: gianpietro.moras@iwm.fraunhofer.de
Dr. Tobias Amann
E-Mail: tobias.amann@iwm.fraunhofer.de
www.iwm.fraunhofer.de
