Grenzüberschreitend ohne Reibungsverluste: HTWG entwickelt mit Schweizer Firma Tribometer

Egal, ob bei der Berechnung der Lebensdauer eines Wälzlagers oder bei der Konstruktion des Lesekopfes einer Festplatte: In nahezu jedem Bereich der Technik spielen Reibungsvorgänge und der daraus resultierende Verschleiß eine Rolle. Sie können die Funktion beeinträchtigen, Wartungskosten hochtreiben und die Lebensdauer des jeweiligen Systems reduzieren.

Sogenannte Tribometer können Reib- und Verschleißkennwerte empirisch ermitteln. Sie eignen sich jedoch meist nur für aufeinander gleitendes Material – und die Messungen sind zeitaufwändig und kostenintensiv. Das Institut für Werkstoffkunde an der Hochschule Konstanz hat in den vergangenen vier Jahren in Zusammenarbeit mit dem Prüfmaschinenhersteller walter+bai AG aus dem schweizerischen Kanton Schaffhausen und dem Institut für Werkstoffsystemtechnik Thurgau einen neuartigen Prüfstand entwickelt. Er kann nicht nur Reibung entsprechend der jeweiligen Fragestellung simulieren und zeitsparend Berechnungen ermöglichen, sondern in der Simulation auch ein Überrollverhältnis zwischen Grund- und Gegenkörper einstellen und das tribologische Verhalten dieser Kombination messen. „So können zum Beispiel auch Zahnradpaarungen mit Untersetzung praxisorientiert simuliert werden“, erläutert Prof. Dr. Paul Gümpel, Leiter des Instituts an der HTWG.

Das Institut stützte sich auf die wiederholt gute Zusammenarbeit mit der Schweizer Firma walter+bai AG. Schon vor einigen Jahren hatten Hochschule und Unternehmen über Landesgrenzen hinweg einen Prüfstand entwickelt. Die Schweizer Firma stellte neben Fertigungsarbeiten insbesondere die Grundlagen der Prüfsoftware zur Verfügung, die bereits ähnlich in anderen Messgeräten erfolgreich eingesetzt wird. Der Aufbau und die Technik des Two-Discs-Tribometers ist von Studierenden und Forschern an der HTWG entwickelt worden.

Der Prüfstand bietet sowohl die Möglichkeit, grundlegende Forschung auf dem Gebiet der Tribologie und Werkstoffkunde zu betreiben als auch aussagekräftige und realitätsnahe Vorversuche für geplante Anwendungen schnell und kostengünstig umzusetzen. „Dadurch kann der Entwicklungsprozess eines Produktes erheblich verkürzt werden, da nicht erst aufwändige und zumeist teure Prototypen hergestellt werden müssen“, betont Prof. Dr. Gümpel.

Ein weiterer Vorteil bestehe darin, dass das komplette System inklusive aller wichtiger Einflussfaktoren wie Schmierung und Umweltbelastung nachgestellt werden könne.

Für die Auswertung eines Versuches stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Über den Prüfstand selbst werden die Daten des Reibmomentes, der Normalkraft und des Verschleißbetrages gespeichert. Daraus kann der Reibwert über das gesamte Lastkollektiv ermittelt und ausgewertet werden. Sowohl das Einlaufverhalten als auch der konstante Bereich bis zum Auftreten von stärkeren Verschleißerscheinungen können damit erkannt und zeitlich zugeordnet werden. Neben den prüfstandeigenen Auswertungen stehen am Institut für Werkstoffsystemtechnik weitere Methoden zur Verschleißanalyse und Oberflächencharakterisierung zur Verfügung. Zu den wichtigsten Verfahren zählt die Raster-Elektronenmikroskopische (REM) Untersuchung und die 3-D-Mikroskopie.

Marco Werschler, Student im Bachelor-Studiengang Maschinenbau Konstruktion und Entwicklung, schreibt derzeit seine Abschlussarbeit zur Anwendung des Tribometers. Im Vorfeld hatte bereits ein Student im Studiengang Mechanical Engineering and International Sales Management in seiner Masterarbeit eine Marktanalyse zum Bedarf an solchen Tribometern erarbeitet. Sein Ergebnis: „Der Bedarf ist recht groß. 93 Prozent der 1000 befragten Unternehmen beschäftigen sich mit Fragen von Reibung und Verschleiß“, zitiert Prof. Gümpel aus der Master-Arbeit. In der Befragung formulierte Bedürfnisse möglicher Anwender sind in die Entwicklung des Tribometers eingeflossen.

In den nächsten Monaten wollen die Schweizer und Konstanzer Entwickler den Prüfstand international auf Messen und wissenschaftlichen Tagungen präsentieren. Die Entwicklung wird währenddessen fortgesetzt: So sollen noch die Klimatisierung und Temperaturüberwachung der Kontaktstelle ermöglicht und der weitere Ausbau der Prüfsoftware in Bezug auf Bedienerfreundlichkeit und Versuchsvorauslegung überprüft werden.