Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schlangenmuster schützt Stahl vor Reibung

06.08.2015

Eine Schlange kommt auch ohne Beine vorwärts, weil sie sich mit ihrem Bauch vom Boden abstößt. Sie erzeugt dabei nur an den Stellen Reibung, die sie braucht, um sich nach vorne zu bewegen und kann so verhindern, dass sich ihre Schuppen durch zu starke Reibung abnutzen.

Forscher des KIT haben eine Möglichkeit gefunden, diese Eigenschaft auf Bauteile in beweglichen Systemen zu übertragen. So könnten sie die Lebensdauer von Hüftprothesen, Computer-Festplatten oder Smartphones verlängern. Ihre Ergebnisse haben sie in der Zeitschrift „Bioinspiration & Biomimetics“ veröffentlicht. DOI: 10.1088/1748-3190/10/4/044001.


Von der Natur inspiriert und per Laser auf einen Stahlbolzen gefräst: 3-D-Aufnahme der schuppenähnlichen Struktur

(Aufnahme: Christian Greiner, KIT)

„Reibung und Verschleiß sind zwei der größten Herausforderungen in Systemen, in denen Einzelteile aufeinander treffen“, sagt Christian Greiner vom Institut für Angewandte Materialien. Eine Lösungsmöglichkeit kommt aus der Natur: Schlangen wie die Königspython oder Echsen wie der Sandfisch nutzen zwar Reibung um sich fortzubewegen, können diese aber dank ihrer Schuppen auf das Nötigste reduzieren.

Zusammen mit Michael Schäfer hat Greiner ein Verfahren entwickelt, mit dem er die schuppige Struktur der Reptilien auf Bauteile elektromechanischer Systeme übertragen kann: Mit einem Faserlaser haben sie Schuppen auf einen Stahlbolzen mit acht-Millimeter-Durchmesser gefräst.

Ob der Abstand zwischen den Schuppen das Reibungsverhalten beeinflusst, haben die beiden Materialwissenschaftler mit zwei unterschiedlichen Anordnungen getestet. In der ersten überschneiden sich die Schuppen und liegen eng aneinander, wie die Bauchschuppen einer Königspython. Bei der zweiten Struktur sind die Schuppen in vertikalen Reihen mit größerem Abstand angelegt, wie bei der Haut des Sandfisches.

„Der Abstand zwischen den Reihen in unseren Versuchen war der kleinstmögliche, den wir mit dem Laser erzeugen konnten. Die Struktur entspricht also nicht ganz der des Sandfisches“, so Greiner. In Zukunft wollen die Forscher sich jedoch weiter dem Original aus der Natur nähern.

Jede Schuppe ist fünf Mikrometer hoch und hat eine seitliche Abmessung von 50 Mikrometer (10-6 Meter). Das entspricht etwa dem Durchmesser eines Haares. In der Natur sind die Schuppen einer Schlange etwa 300 bis 600 Nanometer (10-9 Meter) klein, die des Sandfisches etwa zwei mal drei Millimeter (10-3 Meter). Damit stimmen die eingelaserten Schuppen in ihrer Größe zwar nicht mit denen der Reptilien überein.

Allerdings konnten Wissenschaftler des KIT in einem anderen Projekt zeigen, dass eine Veränderung der Größe nicht zwangsläufig dazu führt, dass die künstliche Struktur weniger effektiv ist als die natürliche: Um die „klebenden“ und selbstreinigenden Eigenschaften von Geckofüßen nachzustellen, nutzten die Forscher elastische Mikrohärchen, die bis zu 100 Mal größer waren als die der Tiere, jedoch die gleiche Klebekraft besaßen. Eine detaillierte Beschreibung des Projekts unter: www.kit.edu/kit/pi_2014_14709.php.

Um zu untersuchen, ob die Schuppen Reibung verringern können, haben Greiner und Schäfer die bearbeitete Oberfläche der Bolzen auf eine sich drehende Platte angebracht. Die Versuche fanden einmal ohne und einmal mit Schmiermittel (je ein Milliliter Mineralöl) statt. Bei den Experimenten im geölten Zustand nutzten die Wissenschaftler Werkstahlscheiben, im nicht-geölten Zustand Saphirscheiben, jeweils mit einem Durchmesser von 50 Millimeter.

Die Versuche im geölten Zustand zeigten, dass sowohl die enge als auch die weite Anordnung der Schuppen die Reibung im Vergleich zum unbehandelten Bolzen erhöht: Die weiten Schuppen um den Faktor 1.6, die engen sogar um den Faktor 3. Im nicht-geölten Zustand dagegen konnten die Schuppen, die mit einem Abstand zueinander eingelasert waren, die Reibung um mehr als 40 Prozent reduzieren, die eng aneinanderliegenden um 22 Prozent.

Dass die enge Schuppenstruktur sowohl im geölten als auch im nicht-geölten Zustand größere Reibung erzeugt, war für die Forscher unerwartet: „Wir sind davon ausgegangen, dass die enge Anordnung effektiver ist, weil sie genauso in der Natur vorkommt“, sagt Greiner.

Dabei konnten sie ausschließen, dass die geringere Reibung aufgrund der Veränderung der Oberfläche durch den Laser zustande kam: „Auf und zwischen den Schuppen war das Material weicher als das unbehandelte. Nur die Ränder, die der Laser eingefräst hat waren gehärtet und diese hatten keinen Kontakt mit der Drehplatte. So konnten wir darauf schließen, dass die Schuppen die Reibung abdämpfen“, so Greiner.

In den nächsten Schritten wollen die beiden Materialwissenschaftler testen, wie sich das Verhalten der Bolzen bezüglich Reibung verändert, wenn sie die Größen der Schuppen variieren oder ein härteres Material verwenden.

“Bio-inspired scale-like surface textures and their tribological properties” Christian Greiner und Michael Schäfer in “Bioinspiration & Biomimetics”: http://iopscience.iop.org/1748-3190/10/4/044001/article

Weiterer Kontakt:
Sarah Werner, Presse, Kommunikation und Marketing, Tel.: +49 721 608-48120, Fax: +49 721 608-43658, E-Mail: sarah.werner@kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vereint als selbständige Körperschaft des öffentlichen Rechts die Aufgaben einer Universität des Landes Baden-Württemberg und eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft. Seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation verbindet das KIT zu einer Mission. Mit rund 9 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 24 500 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.kit.edu

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neuartige und vielseitig einsetzbare Kunststoffzusätze
24.06.2019 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Innovatives Pulver revolutioniert 3D-Metalldruck
19.06.2019 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Wie im letzten Jahr findet auch 2019 eine in den späten Abendstunden in einer lauen Sommernacht gut zu beobachtende Mondfinsternis statt, und zwar in der Nacht vom 16. auf den 17. Juli. Die Finsternis ist zwar nur partiell - der Mond tritt also nicht vollständig in den Erdschatten ein - es ist aber für die nächsten Jahre die einzige gut sichtbare Mondfinsternis im deutschen Sprachraum.

Am Dienstagabend, den 16. Juli, wird ein kosmisches Schauspiel zu sehen sein: Der Vollmond taucht zu einem großen Teil in den Schatten der Erde ein, es findet...

Im Focus: Fraunhofer IDMT zeigt akustische Qualitätskontrolle auf der Fachmesse für Messtechnik »Sensor + Test 2019«

Das Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert vom 25. bis 27. Juni 2019 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 5-248) seine neue Lösung zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen. Da die Prüfung zerstörungsfrei funktioniert, kann teurer Prüfschrott vermieden werden. Das Prüfverfahren wird derzeit gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern im praktischen Einsatz erfolgreich getestet und hat das Technology Readiness Level (TRL) 6 erreicht.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Im Focus: Fraunhofer IDMT demonstrates its method for acoustic quality inspection at »Sensor+Test 2019« in Nürnberg

From June 25th to 27th 2019, the Fraunhofer Institute for Digital Media Technology IDMT in Ilmenau (Germany) will be presenting a new solution for acoustic quality inspection allowing contact-free, non-destructive testing of manufactured parts and components. The method which has reached Technology Readiness Level 6 already, is currently being successfully tested in practical use together with a number of industrial partners.

Reducing machine downtime, manufacturing defects, and excessive scrap

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungen

Plastik: Mehr Kreislauf gegen die Krise gefordert

21.06.2019 | Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Molekulare Schere stabilisiert das Zell-Zytoskelett

24.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Neues „Intelligent Edge Data Center“ bringt Smart Industries auf nächstes Level

24.06.2019 | Unternehmensmeldung

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics