Die NanoProfile GmbH

1. Sauerwiesen 2 67661 Kaiserslautern Deutschland Die NanoProfile GmbH Tribologie auf höchstem Niveau

2. Die NanoProfile GmbH Über uns • Gegründet am 20.12.2007 • 7 Mitarbeiter an einem Standort (Kaiserslautern) • Eigenes Reibungs- und Verschleißlabor mit 4 Tribometern • Umsatz 2010: EUR 300.000 • Geschäftsfelder: Technische Anwendungsberatung, Tribologische Auftragsmessungen, Tribometer • Kunden: Maschinen- und Anlagenbauer, Werkstoffhersteller • Kooperationen mit verschiedenen Forschungseinrichtungen

3. Kategorien tribologischer Messungen (nach GfT) Kategorie Bezeichnung I Feldversuch II Prüfstandsversuch III Prüfstandsversuch (nur Baugruppe) IV Versuch mit Originalbauteil V Versuch mit Probekörper (beanspruchungsähnlich) VI Standardisierter Modellversuch Aufwand/Kosten Windrad Radialgleitlager-Buchse Versuch mit Probekörper(beanspruchungsähnlich) Typische Kunden: Werkstoffanwender Werkstoffhersteller StandardisierterModellversuch Standardisierte Modellprüfung

4. Tribologische (Modell)Prüfungen Zielsetzung • Kostengünstige und zeitraffende Simulation technischer Anwendungen • Hoher Korrelationsgrad mit der simulierten Anwendung • Hohe statistische Sicherheit dank kurzer Prüfzeiten und hoher Durchsätze • Bewertungund Vergleich von Polymeren, Metallen, Keramiken und Verbundwerkstoffen („Werkstoffscreening“) • Anwendungsähnliche Versuchsgestaltung ermöglichtdie Auswahl geeigneter Werkstoffe • Ermitteln von Einsatzgrenzen mittelsVerschleißkartierung (wear mapping) • Produktions- und entwicklungsbegleitende Qualitätskontrolle

5. Formelzeichen: wtTypische Einheit: µm/h Dh Dt wt = [µm/h] (niedriger = besser) Tribologische Kennwerte und ihre Bedeutung (Auswahl) • Vorteile • Sehr anschaulich • messtechnisch leicht zugänglich • Nachteile • Nur für einfache Bauteilgeometrien aussagekräftig • Nicht bei allen Modellprüfungensinnvoll bestimmbar • Hängt stark von der Gleitgeschwindigkeitund der Flächenpressung ab • Zur Bauteilauslegung nur bedingtgeeignet • Die lineare Verschleißrate • Gibt den Höhenabtrag einesverschleißenden Bauteils pro Zeit-intervall an.

6. DV s∙ FN ws = [mm3/Nm] Tribologische Kennwerte und ihre Bedeutung (Auswahl) • Vorteile • Von der Bauteilgeometrie (fast) unabhängig • Besser vergleichbar • Bei allen Modellprüfungen und auch bei vielen Bauteilprüfungen bestimmbar • Hängt nur wenig von der Gleitgeschwindigkeitund der Flächenpressung ab • Ermöglicht das Erkennen von Einsatzgrenzen • Nachteile • Weniger anschaulich • Die spezifische Verschleißrate • Gibt den beanspruchungs-bezogenen Volumenverlust eines Bauteils an. Formelzeichen: wsTypische Einheit: mm3/Nm (niedriger = besser)

7. FR FN µ = Tribologische Kennwerte und ihre Bedeutung (Auswahl) • Vorteile • Ermöglicht eine Abschätzung des Wirkungs-grads eines Bauteil • Im Trockenlauf sehr gut (= genau und reproduzierbar) messbar • Nachteile • Hängt von vielen Faktoren ab (Flächen-pressung, Schmierung, Härte und Rauheitdes Gegenkörpers, Einsatztemperatur) • Der Gleitreibungskoeffizient • Maß für den reibungsbedingten Verlust an mechanischer Energie. Formelzeichen: µTypische Einheit: dimensionslos (niedriger = besser)

8. Der ATLAS TT-Modellprüstand

9. Der ATLAS TT-Modellprüstand

10. Der ATLAS TT-Modellprüstand

11. Der ATLAS TT-Modellprüstand

12. Der ATLAS TT-Modellprüstand

13. “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 137 Messprinzip Schema (links) und Foto (rechts) der „Block auf Ring“-Prüfung nach ASTM G 137

14. Diese wird durch einen drehbar gelagerten Hebel auf einen Kraftaufnehmer Übertragen und dort zeit- aufgelöst aufgenommen - FR FR “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 137 Reibungsmessung FN Unter der Wirkung der Normalkraft FN und der Rotation des Gegenkörpers entsteht in der Kontaktzone eine Reibungskraft FR

15. Gleichzeit wird die Probe durch Verschleiß ver-kürzt. Dies führt zur… einer messbaren Änderung des Abstands zwischen dem Lasthebel und dem optischen Wegaufnehmer Drehung des Lasthebelsund damit zu… “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 137 Verschleißmessung Dh Probe Gegen-körper

16. “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 137 Messung der Gegenkörpertemperatur Die Gegenkörpertemperatur wird während des gesamten Versuchs mit Hilfe eines Infra-rotsensors erfasst und aufgezeichnet Dh Probe Gegen-körper

17. Dh Dt w = [µm/h] Lineare Verschleißrate w pv ws = [mm3/Nm] FR FN µ = Spezifische Verschleißrate “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 137 Kennwertermittlung Verschleißmessung zeitaufgelöstanhand der Abnahme der Proben-höhe über der Gleitstrecke: Zusätzlich kontinuierliche Messung derReibungskraft und der Temperaturentwicklung: Gegenkörper-temperatur [ °C] Gegenkörper-temperatur [ °C] Höhenabnahme [µm] Reibkraft [N] Versuchsdauer [h] Versuchsdauer [h] Mittelwert = µ Höhenabnahme [µm] Gleitreibungs-koeffizient Steigung = w Gleitreibungskoeffizient Versuchsdauer [h]

18. “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 77 / G 176 Messprinzip Schema (links) und Foto (rechts) der „Block auf Ring“-Prüfung nach ASTM G 77 / G 176

19. Die Reibkraft und die Gegenkörpertemperatur werden wie bei der Messung nach ASTM G 137 Hilfe eines Kraftaufnehmers und eines Infrarotsensors zeitaufgelöst erfasst und aufgezeichnet - FR FR Probe “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 77 / G 176 Messung der Reibung und der Gegenkörpertemperatur

20. “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 77 / G 176 Verschleißmessung Nach ASTM G 77 / G 176 wird nach Versuchsende die (mittlere) Breite b der Verschleißmulde gemessen und hieraus der Volumenverlust DV berechnet. Die spezifische Verschleißrate ergibt sich dann mit Hilfe der Normalkraft FN und der Gesamtgleitstrecke s zu: b DV FN· s ws = [mm3/Nm] Spezifische Verschleißrate

21. “Block auf Ring”-Prüfung nach ASTM G 77 / G 176 Verschleißmessung Alternativ oder auch ergänzend kann der Abrieb auch genauer mit einer Analysenwaage bestimmt werden. Hierzu muss jedoch die Dichte r der Probe homogen sein und die Probe muss auf einen konstanten Feuchtigkeitsgehalt gebracht werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Direktmessung des Volumenverlusts mit profilometrischen Methoden (Weißlichtprofilometer, Konfokalmikroskop). Bei diesem genauesten aber auch aufwendigsten Verfahren sind sowohl die Dichte als auch der Feuchtigkeitsgehalt der Probe irrelevant.

22. Prüfparameter standardmäßig realisierbar (weitere auf Anfrage)

23. Der ATLAS TRIBOTESTERLangzeitdrift

24. Der ATLAS TRIBOTESTERLaborinterner Ringversuch (ATLAS TT 1 – 4)

25. Anwendungbeispiele • Messung der statischen Reibung (Losbrechmoment) • Verschleißkartierung (pv-Limit) • Temperaturstudien • Tribologischen Anisotropie faserhaltiger Werkstoffe • Mangelschmierung • Fluidbehälter für geflutete Reibpaarungen

26. Kraftaufnehmer FN FN - FH - FA Welle (kugelgelagert) Probe FH FA Gegenkörper MH MA Übergang Haften → Gleiten Antriebsmoment MA= - max. „Haftmoment MH” Ruhezustand kein Antriebsmoment Messung der statischen Reibung Versuchsaufbau, -durchführung und -auswertung • Norm:ASTM G 137 • Ausgangszustand:Probe unter Last, Welle momentenfrei • Versuchsdurchführung:Erhöhung des Antriebsmoments bis zum Losbrechen • Kennwertermittlung:Ermittlung des Haftreibungskoeffizienten µH aus der Reibungskraft beim Übergang Haften → Gleiten:µH = FH / FN

27. Messung der statischen Reibung Ergebnis-Beispiel Ergebnis der Messung des statischen und des dynamischen Reibungskoeffizienten der Paarung PEEK/100Cr6 nach ASTM G137, gemessen mit dem Atlas TT.

28. Anwendungbeispiele • Messung der statischen Reibung (Losbrechmoment) • Verschleißkartierung (pv-Limit) • Temperaturstudien • Tribologische Anisotropie faserhaltiger Werkstoffe • Mangelschmierung • Fluidbehälter für geflutete Reibpaarungen

29. Verschleißkartierung eines epoxidharzbasierten Gleitlagers Verschleißkartierung:Messung der Verschleißrate, des Gleitreibungskoeffizienten und der Gegenkörpertemperatur bei steigender tribologischer Beanspruchung (= pv-Produkt) pv-Limit:Maximales pv-Produkt, bei dem eine vorgegebene Verschleißrate gerade noch nicht überschritten wird. Hier beträgt das pv-Limit für w < 10 µm/h ca. 4,5 MPa·m/s.

30. Anwendungbeispiele • Messung der statischen Reibung (Losbrechmoment) • Verschleißkartierung (pv-Limit) • Temperaturstudien • Tribologische Anisotropie faserhaltiger Werkstoffe • Mangelschmierung • Fluidbehälter für geflutete Reibpaarungen

31. Temperaturstudien Motivation und Versuchsaufbau Ziel: • Abschätzung von Lebensdauer und Energieeffizenz bei Anwendungen mit wechselnden Temperaturen • Bestimmen der (tribologisch) maximalzulässigen Betriebstemperatur Prüfstand: Atlas TT mit Temperiermodul • Regelung der Gegenkörpertemperatur • Gegenkörpertemperatur zwischen +20 °C und +150 °C Temperierte „Block auf Ring“-Messung auf dem Atlas TT

32. Temperaturstudien Beispiel-Ergebnis Ergebnis temperierter „Block auf Ring“-Messungen(modifiziertes PEEK gg. 100Cr6)

33. Anwendungbeispiele • Messung der statischen Reibung (Losbrechmoment) • Verschleißkartierung (pv-Limit) • Temperaturstudien • Tribologische Anisotropie faserhaltiger Werkstoffe • Mangelschmierung • Fluidbehälter für geflutete Reibpaarungen

34. Anisotropie Motivation und Versuchsaufbau Motivation: • Fasergefüllte Werkstoffe sind bei vorliegen einer Vorzugsrichtung der Faserorientierungsverteilung nicht nur mechanisch, sondern auch tribologisch anisotrop. Prüfstand: Atlas TT • Verwendung unterschiedlich präparierter Proben, entnommen jeweils aus einem spritzgegossenen Zugstab. Mögliche Orientierungen zwischen Normalkraft, Gleitrichtung und Faser-vorzugsrichtung

35. Anisotropie Ergebnis-Beispiel Werkstoffpaarung: • PA66/LGF50 gg. 100Cr6 Beanspruchung: • Trockenlauf, 1 m/s, 2 MPa Ergebnis • Bei nicht-normaler Faserorientierung sind Reibung und Verschleiß deutlich niedriger. • Parallele Faserorientierung ist geringfügig besser als orthogonale. Einfluss der Orientierung zwischen Normal-kraft, Gleitrichtung und Faservorzugsrichtung auf Reibung und Verschleiß von PA66/LGF50

36. Anwendungbeispiele • Messung der statischen Reibung (Losbrechmoment) • Verschleißkartierung (pv-Limit) • Temperaturstudien • Tribologische Anisotropie faserhaltiger Werkstoffe • Mangelschmierung • Fluidbehälter für geflutete Reibpaarungen

37. Mangelschmierungsprüfung durch definierte Schmiermittelzufuhr Ziel: Werkstoffvergleich unter anwendungsnahen Prüfbedingungen Konzept: Die Einstellung von Grenz- und Mischreibung geschieht über die künstliche Verknappung des Schmiermittels Realisierung: Zugabe des Schmiermittels direkt auf die Lauffläche mit Hilfe einer hochgenauen Dosierung

38. Mangelschmierungsprüfung Auswertung • Ermittlung von Reibung und Verschleiß in kritischen Betriebszuständen zwecks Lebensdauerabschätzung • Erkennung von Schmiermittel-Unverträglichkeiten • Werkstoffvergleich unter anwendungsnahen Prüfbedingungen Festkörper-reibung:0 µL Diesel / h Grenzreibung:1 µL Diesel / h Mischreibung:5 µL Diesel / h

39. Anwendungbeispiele • Messung der statischen Reibung (Losbrechmoment) • Verschleißkartierung (pv-Limit) • Temperaturstudien • Tribologische Anisotropie faserhaltiger Werkstoffe • Mangelschmierung • Fluidbehälter für geflutete Reibpaarungen

40. Fluidbehälter aus 1.4301 zur Flutung der Gegenkörperwelle und der Reibpaarung Deckel Dichtung Füße Lagerung

41. Fluidbehälter montiert Nicht dargestellt: • Zu- und Ablauf → Medium kann durch- bzw. umgepumpt werden • Heizung / Temperaturfühler→ Medium kann temperiert werdenWasser: 25 – 95 °C • Filter → Medium kann beim Um- bzw. Durchpumpen gefiltert werden

42. Zusammenfassung Reibungs- und Verschleißprüfungen mit dem Atlas TriboTester • Prüfungen sind „standardisierte Modellversuche“(Kat. VI) oder „beanspruchungsähnliche Versuche an Probekörpern“ (Kat. V) • Ermittelung standardisierter „Werkstoffkennwerte“:- Lineare Verschleißrate (µm/h)- „Verschleißfaktor k“ (mm3/Nm)- Gleitreibungskoeffizient • Vorteile:- Zeit sparend- Flexible Probenpräparation- Adaptierbare Beanspruchung (Gegenkörper, Druck, Gleitgeschwindigkeit, Schmierung, Temperatur)- Erlauben Werkstoff- und Füllstoffvergleiche