Reise ins Innere der Materie

Reise ins Innere der Materie

Dank Atomistischer Simulationen versteht Freudenberg immer besser, wie sich die Reibung von Dichtungen optimieren lässt. Der Ansatz ist sehr nachhaltig, gerade in sensiblen Industriebereichen. Ein erfolgreiches Projekt für den Betreiber von Kraftwerken stellt das unter Beweis.

Was haben ein Auto, das auf einer nassen Straße fährt, das laute Knarzen beim Öffnen einer Tür und das Quietschen beim Abbremsen eines Zugs gemeinsam? Immer spielt dabei die Tribologie eine prominente Rolle. Tribologie – das ist die Lehre von Reibung, Verschleiß und Schmierstoffen. Wer sie versteht, kann die moderne Industrie an entscheidenden Kontaktstellen mit passenden Produkten bereichern, um Energie zu sparen, die Umwelt zu schonen, die Wartung zu optimieren und Mitarbeiter zu entlasten. Freudenberg arbeitet intensiv in diesem Bereich und forscht an neuen Materialien, Schmierstoffen und Dichtungen, die Reibung, Verschleiß und damit den Wartungsaufwand auf ein Minimum reduzieren.

Testläufe im Labor von EagleBurgmann: CAD-Konstrukteur Thomas Stemplinger und Projektleiter Robert Reischl diskutieren Messergebnisse.

 

„Dazu bedarf es eines wortwörtlich tief gehenden Wissens von Chemie und Materie. Es geht darum, wirklich zu verstehen, was im Innersten unserer Welt geschieht“, sagt Dr. Ravindrakumar Bactavatchalou, bei Freudenberg Technology Innovation (FTI) Chef der tribologischen Abteilung. Freudenberg hat sich – unterstützt vom Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik – auf den Weg gemacht, mithilfe eines besonderen computerbasierten Verfahrens das atomare Verhalten von Materialien zu verstehen. 

Testläufe im Labor von EagleBurgmann: CAD-Konstrukteur Thomas Stemplinger und Projektleiter Robert Reischl diskutieren Messergebnisse.

Die „Atomistischen Simulationen“ umfassen digital gestützte Methoden, um die Organisation, Bewegung und Wechselwirkung von Molekülen und Atomen zu beschreiben, die Bestandteil von aneinander reibenden Oberflächen sind. So lassen sich elementare Fragen beantworten, etwa welche Materialpaarungen unter bestimmten Bedingungen besonders gut gleiten, welche nicht, warum das so ist und wie groß Reibungskoeffizient und Verschleiß sind.

Entwickelt für extreme Anwendungen: Die neuen Gleitringdichtungen besitzen eine kristalline Diamantschicht und eine Siliziumkarbid-Gleitfläche.

Wissen in einem sensiblen Bereich

Wie schlagkräftig dieser Ansatz ist, stellte erstmals ein interdisziplinär arbeitendes Freudenberg-Team erfolgreich unter Beweis, das sich aus Entwicklern und Technikern der Freudenberg-Geschäftsbereiche Freudenberg Technology Innovation, Freudenberg Sealing Technologies und EagleBurgmann zusammensetzte. „Ausgangspunkt war die Anforderung eines kanadischen Kunden, der Kraftwerke betreibt. Konkret ging es um Dichtungen für Kernbrennstoffbeladungsmaschinen, die für das Be- und Entladen von Brennstoffbündeln verwendet wurden“, sagt EagleBurgmann-Projektleiter Robert Reischl. Eine Gleitringdichtung dichtet das offene Druckrohr gegen das Antriebsgetriebe der Füllmaschine ab. Dabei treten Drehzahlen von bis zu 261 Umdrehungen pro Minute und ein Druck von bis zu 120 bar auf. Zudem muss die Dichtung bei Wartungsarbeiten ohne Schmierung arbeiten, kurzum: ein äußerst sensibler Arbeitsbereich.

„Die Lösung, die sich aus dem auf atomarer Ebene gewonnenen Verständnis ergibt, ist eine Kombination aus einer kristallinen Diamantschicht und einer Siliziumkarbid-Gleitfläche, die einen hohen Anteil an amorphem Kohlenstoff beinhaltet“, sagt Tribologie-Experte Bactavatchalou. Mit diesem Materialpaar sinkt die Reibkraft und es gibt deutlich weniger sogenannte „Kaltschweiß-Effekte“. Darunter versteht man starke Bindungseffekte auf molekularer Ebene: Innerhalb von Millisekunden kann zum Beispiel bei zwei Diamantoberflächen eine starke Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung entstehen. Wenn sich die Dichtung dann wieder zu drehen beginnt, treten sehr hohe Drehmomente auf. Dieser überraschende und hinderliche Effekt war in diesem Zusammenhang zuvor noch nie entdeckt worden.

Ein Schlüssel für die Zukunft

Mit dem aus der Atomistischen Simulation gewonnenen Know-how hat das Freudenberg-Team die neue Diamant-Siliziumkarbid-Dichtung entwickelt, die einen Quantensprung für die Kraftwerksanwendung darstellt. Ihre Lebensdauer wird bei rund vier Jahren liegen, gegenüber zehn Monaten der alten Dichtung. Darüber hinaus zeigt die neue Freudenberg-Dichtung eine wesentlich kleinere Leckage und geringe Reibungskräfte. „Sie vermeidet damit unvorhersehbare Ausfälle und sorgt für einen sicheren Betrieb in der kritischen heißen Zone eines Kernreaktors, was damit nicht zuletzt auch die Mitarbeitersicherheit des Kunden erhöht“, bilanziert Robert Reischl.

„Atomistische Simulationen sind ein Schüssel für künftige Technologien“, sagt Ravindrakumar Bactavatchalou. „Die Vorhersage der Reibeigenschaft und der Lebensdauer von tribologischen Produkten ist eine grundlegende Anforderung von Gesellschaft und Wirtschaft.“ Freudenberg hat sich vor dem Hintergrund des erfolgreichen Kraftwerk-Projektes entschlossen, ein breiteres Grundlagenverständnis in den Simulationstechniken aufzubauen. Das langfristige Ziel lautet, individuelle Lösungen für Materialien zu simulieren und zu designen, um passgenau tribologische Herausforderungen zu lösen. Die erste Etappe auf diesem Weg ist geschafft. 


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