Reifen, Bremsen, Dichtungen: Überall, wo Oberflächen aufeinandertreffen, entsteht Reibung und damit auch Verschleiß. Nur wenige Atome entscheiden, ob Kraftwerke problemlos laufen und Fahrzeuge effizient im Einsatz sind. Um die Tribologie, die Lehre von Reibung, Verschleiß und Schmierung, zu verstehen und Produkte effizienter und langlebiger zu gestalten, bedarf es einen Blick in den Reibspalt auf atomarer Ebene – mit dem bloßen Auge also unmöglich zu sehen.
Wie aber lassen sich tribologische Prozesse sichtbar machen? Wo viele noch im Dunklen tappen, bringt der Dichtungshersteller EagleBurgmann, eine Freudenberg-Geschäftsgruppe, gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit seiner virtuellen Materialsonde Licht in den Reibspalt. Für die langjährige Zusammenarbeit und das innovative Ergebnis erhielt das Forscherteam im Mai bei der diesjährigen Fraunhofer-Jahrestagung den Wissenschaftspreis des Stifterverbands „Forschung im Verbund“.
Gleitringdichtungen sind etwa in Pumpen und Kompressoren verbaut, die in Kraftwerken, in der Lebensmittelindustrie oder im Bergbau zum Einsatz kommen. Dort sind sie extremen thermischen, mechanischen und chemischen Bedingungen ausgesetzt. Die Devise lautet daher Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Dichtungen, denn die Ausfall- bzw. Stillstandkosten in Millionenhöhe sind ein großes Risiko. Diamantbeschichtungen schützen die Komponenten, die in Gleitringdichtungen gegeneinander reiben, vor Verschleiß und sorgen für eine hohe Lebensdauer. Dennoch kann es zu Reibwertschwankungen kommen, denn selbst härteste Diamantoberflächen tragen sich mit der Zeit ab. Wodurch die Reibwertschwankungen entstehen und wie EagleBurgmann die Reibung konstant auf niedrigstem Niveau halten kann, war bislang nicht ersichtlich. Das Forscher-Team, bestehend unter anderem aus Dr. Joachim Otschik, Senior Director Research & Development bei EagleBurgmann sowie Prof. Dr. Michael Moseler und Prof. Dr. Matthias Scherge des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, entwickelte den Schlüssel zum Erfolg: Eine virtuelle Materialsonde, die Simulationen auf multiplen Größenskalen mit den Ergebnissen realer Experimente kombiniert. Sie erlaubt den virtuellen Blick auf die mikroskopische Bewegung und Wechselwirkung von Atomen, wodurch sie tribologische Prozesse auf atomarer Ebene sichtbar und steuerbar macht. Mit Hilfe dieser Simulation kann Freudenberg erstmals die tribologischen Vorgänge so exakt wie nie zuvor verstehen und Produkte noch effizienter und langlebiger designen.
Die virtuelle Materialsonde ist überall dort nützlich, wo zwei Objekte aneinander reiben und durch einen atomar dünnen Flüssigkeitsfilm geschmiert werden. Dies ist etwa im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen oder in den Verdichtern von Wärmepumpen der Fall. „Durch Experimente allein können wir weder die Reibungseffekte noch den Einfluss des hauchdünnen Schmierfilms verstehen – im tribologischen Kontakt ist es quasi dunkel“, erläutert Scherge. Sein Kollege Moseler ergänzt: „Mit der virtuellen Materialsonde dagegen können wir von der Millimeterskala auf die atomare Skala zoomen, im Extremfall sogar auf die quantenmechanische Ebene der Elektronen, um die Bindungsverhältnisse im Reibspalt zu verstehen.“ Die Simulation gibt Antwort auf die Frage, welche Materialpaarungen besonders effizient gleiten und ermöglichen somit Hightech-Dichtungen – nahezu ohne Leckage, Reibung und Verschleiß.
Die Synergie zwischen dem Fraunhofer IWM und uns ist einmalig, sie wächst und nimmt zunehmend mehr Fahrt auf. Gemeinsam haben wir eine virtuelle Materialsonde geschaffen, die in dieser Form und Komplexität weltweit einmalig ist.
Dr. Joachim Otschik, Senior Director Research & Development bei EagleBurgmann
Von links nach rechts: Prof. Dr.-Ing. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, Prof. Dr. Michael Moseler, Gruppenleiter Multiskalenmodellierung und Tribosimulation am Fraunhofer IWM sowie Prof. Dr. Matthias Scherge, Geschäftsfeldleiter Tribologie am Fraunhofer IWM bei der Fraunhofer Jahrestagung.
Die Entwicklung der virtuellen Materialsonde ermöglichte die knapp zwei Jahrzehnte lange Zusammenarbeit des Forscherteams. „Die Synergie zwischen dem Fraunhofer IWM und uns ist einmalig, sie wächst und nimmt zunehmend mehr Fahrt auf. Gemeinsam haben wir eine virtuelle Materialsonde geschaffen, die in dieser Form und Komplexität weltweit einmalig ist“, sagt Otschik. Weiterhin erklärt er: „Die atomistische Simulation, für die wir bereits 2019 den Freudenberg Innovation Award gewannen, ist geprägt von der gemeinsamen Arbeit mit den Freudenberg-Gesellschaften EagleBurgmann, Freudenberg Sealing Technologies, Klüber Lubrication und Freudenberg Technology Innovation sowie dem Fraunhofer-Institut – getreu dem Freudenberg-Motto Innovating Together“. Doch nicht nur EagleBurgmann profitiert von der virtuellen Materialsonde, sondern inzwischen auch die gesamte Freudenberg-Welt. „EagleBurgmann ist der Impulsträger dafür, dass die atomistische Simulation auch in anderen Freudenberg-Geschäftsgruppen ihren Einsatz findet – dank unseres Kollegen Dr. Rüdiger Braun, der bei der Geschäftsgruppe Freudenberg Chemical Specialities für die technische Koordination zuständig ist“, erklärt Dr. Ravindrakumar Bactavatchalou, Head of Tribology bei Freudenberg Technology Innovation. Seither öffnet die virtuelle Materialsonde der Freudenberg-Welt viele Türen: „Zum einen können neue Stellen geschaffen werden, zum anderen dient die atomistische Simulation als Werkzeug für das gesamte Freudenberg-Produktportfolio. Sie reduziert die Entwicklungszeiten deutlich, was die Ressourceneinsparung von finanziellen Mittel sowie Materialien zur Folge hat“, ergänzt Otschik.
Auch in Zukunft wird die virtuelle Materialsonde viele Probleme lösen, etwa in Bezug auf Nachhaltigkeit. So wird sie in neuen Energiequellen, Kraftstoffen und in der aufstrebenden Wasserstoffwirtschaft eine wichtige Rolle spielen. Der CO2-Ausstoß kann dank der virtuellen Materialsonde minimiert werden. Denn: Energie sparen beginnt mit reibungslosen Abläufen – je weniger Reibung entsteht, desto kleiner ist der Energieverlust. Freudenberg hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, ein breiteres Grundlagenverständnis in den Simulationstechniken aufzubauen, um auch künftig passgenaue tribologische Herausforderungen zu meistern. Den ersten Meilenstein legt die virtuelle Materialsonde, die die Welt der Reibungsprozesse nachhaltig verändern wird.
