Fraunhofer IGB Mit Plasmatechnik beschichtete Wälzlager zeigen deutlich weniger Reibung

Durch Reibung und Verschleiß gehen in jedem Wälzlager jedoch sowohl Energie als auch Material verloren. Lager, deren Oberfläche am Fraunhofer IGB durch Plasmatechnik modifiziert wurde, zeigen eine um bis zu 50 % reduzierte Reibung. Zudem korrodieren sie weniger und lassen sich besser reinigen.

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Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Biover- fahrenstechnik (IGB)

Um Reibung und Verschleiß in Wälzagern möglichst gering zu halten, werden sie vielfach mit Ölen oder Fetten geschmiert. Dennoch wird ein Teil der Bewegungsenergie der Lager in Wärme umgewandelt und geht so verloren. Zudem tragen Abrieb und Korrosion zum Verschleiß der Materialoberflächen bei.

Im Verbundprojekt Nanodyn hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Forschung eine Plasma-Oberflächenbeschichtung entwickelt, die durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen das Benetzungsverhalten von Oberflächen gegenüber Schmierstoffen, Wasser und Reinigungsmitteln gezielt verändert und so Reibung, Verschleiß und Korrosion beträchtlich vermindert.

Nanostrukturierte Wälzlager-Oberflächen durch Plasmagas

Hierzu modifizieren die Fraunhofer-Forscher die Hybrid-Hochleistungslager aus metallischen und keramischen Bauteilen der Firma Cerobear in einem Plasmareaktor, in dem durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Spannung Moleküle eines Plasmagases angeregt und fragmentiert werden. Die hochreaktiven Gasmolekül-Bruchstücke wurden dann auf der Oberfläche der Wälzlager angekoppelt.

„Durch Optimierung der Art und Menge des Plasmagases sowie Temperatur, Druck und Behandlungszeit konnten wir wenige Nanometer dünne Schichten erzeugen, welche die Benetzungseigenschaften der Lageroberflächen in der gewünschten Weise beeinflussen“, erklärt Dr. Michael Haupt, der das Projekt am Fraunhofer IGB leitet.

Auf diese Weise konnten die Forscher eine Beschichtung etablieren, die die tribologischen Eigenschaften der Hybrid-Wälzlager bei einer Schmierung mit Perfluorpolyether (PFPE) deutlich verbesserte. Durch die Plasma-Oberflächenbeschichtung lies sich die Reibung um bis zu 50 % reduzieren. Auch für Wälzlager, die in wässrigen Medien eingesetzt werden, konnten die Forscher die Reibung um bis zu 40 % vermindern. Solche Wälzlager sind für Abfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie geeignet, in denen Saft oder Milch abgefüllt wird.

Hier kommt außerdem zum Tragen, dass das angepasste Benetzungsverhalten der verschiedenen Oberflächen auch die Reinigung der Lager verbessert. So kann einerseits die Gefahr der Keimbildung während des Abfüllprozesses reduziert werden, andererseits sinkt die Anzahl der Reinigungszyklen.

Längere Lebensdauer der beschichteten Wälzlager

Durch die Oberflächenbeschichtung haben die Lager auch eine längere Lebenszeit, denn sie schützt ebenso vor Korrosion durch Luftfeuchte. Zudem kann aufgrund der gerineren Reibung die Energie für den Betrieb der Maschine eingespart werden, die sonst durch Wärme verloren geht. Der Energieverlust einer typischen Flaschenabfüllanlage mit etwa 200 Wälzlagern würde sich dabei von 5 kW auf 1,5 bis 2 kW reduzieren.

Das Verbundprojekt Nanodyn wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Projektpartner neben Cerobear aus Herzogenrath sind die Universität Bremen, ROWO Coating Gesellschaft für Beschichtung mbH aus Herbolzheim, PINK GmbH Thermosysteme aus Wertheim-Bestenheid, und EADS in München. Gemeinsam bietet das Konsortium Komplettlösungen von der Entwicklung neuer Beschichtungen, über die Analytik und Testung bis hin zum Anlagenbau und der Lohnbeschichtung.

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