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Information für die Wissenschaft Nr. 33 | 14. Juni 2017
Schwerpunktprogramm „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ (SPP 2074)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2017 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ (SPP 2074) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die erste dreijährige Förderperiode.

Thema

Die überwiegende Zahl von tribologischen Systemen in technischen Anwendungen wird mit Fluiden, die meistens Öle und Fette sind, geschmiert. In Fällen, in denen keine Schmierung mit Öl oder Fett möglich ist, weil der Schmierstoff im Vakuum zum Beispiel verdampft, wird als Alternative häufig ein Feststoff auf die Bauteiloberflächen aufgebracht.

Der Schmierungsmechanismus in Feststoffschichten unterscheidet sich grundsätzlich von Tribosystemen mit Fluiden als Schmierstoff; es gibt beispielsweise keinen Schmierstoffkreislauf in der Art, wie er üblicherweise bei Fluidschmierung gegeben ist. Im Allgemeinen erfolgt ein Materialübertrag von der Oberfläche, die den Schmierstoff trägt, auf den Gegenkörper. Es bilden sich Transferschichten aus. Im Betrieb des Systems findet fortwährend ein Schichtabbau durch Verschleißvorgänge statt, wobei gleichzeitig Mechanismen zum erneuten oder kontinuierlichen Aufbau der Feststoffschmierschicht wirken. Während im Bereich der Gleitbewegungen mit niedrigeren Kontaktpressungen bereits umfangreichere Erkenntnisse mit Feststoffschmierung und deren Funktionsweise vorliegen, sind die komplexen chemisch-physikalischen Wechselwirkungen an den Oberflächen bei hoch belasteten Kontakten wie zum Beispiel im Wälzlager oder Zahnrad bislang nur ansatzweise erforscht.

Die Komplexität des Forschungsgegenstands erfordert eine fachübergreifende Bearbeitung, bei der Maschinenbau, Werkstofftechnik und physikalische sowie chemische Simulations- und Analysemethoden gezielt vernetzt eingesetzt werden müssen. Dies soll im Schwerpunktprogramm umgesetzt werden, wobei als Forschungsgegenstand die Bauteile beziehungsweise Maschinenelemente selbst dienen und Ersatzsysteme nur mit erwiesener Übertragbarkeit auf das Bauteil Anwendung finden sollen.

Wissenschaftliche Ziele

Im Schwerpunktprogramm sollen die Mechanismen von Reibung und Verschleiß durch die Transferschichtbildung in tribologischen Systemen mit hoher mechanischer Belastung bei Schmierung mit Festschmierstoffen erforscht werden. Dafür sollen systemspezifisch zunächst Bereitstellungsprozesse des Festschmierstoffs in den hoch belasteten Bereichen und die zugrunde liegenden Transferprozesse bei der Schichtbildung analysiert und modelliert werden. Im Folgenden soll das Verständnis für die Synthese von Festschmierstoffkonzepten genutzt werden. Der Fokus soll auf Anwendungen in Maschinenelementen und in Antriebsystemen mit hoch belasteten Roll-/Wälzkontakten liegen.

Ziel ist es, die Bereitstellungsprozesse in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen (unter anderem Temperatur, Pressung, Gleitgeschwindigkeiten) systematisch zu ermitteln, um die Voraussetzungen für eine Verfügbarkeit von Festschmierstoff im zu schmierenden Kontaktbereich gewährleisten zu können. Abhängig von den Einsatzbedingungen, dem Festschmierstoff und den Kontaktpartnern im hoch belasteten Kontakt sollen darauf aufbauend die Transferprozesse geklärt werden. Hier kann zwischen physikalischen und chemischen Haftungsmechanismen unterschieden werden, die einen möglichst dauerhaften Transfer ermöglichen. Physikalische Haftungsmechanismen können unter anderem durch eine mechanische „Verklammerung“ von Festschmierstoffbestandteilen mit der Oberfläche erfolgen, chemische Mechanismen können unter anderem auf Physi- und Chemisorption beruhen. Das Verständnis soll schließlich zur Synthese von Systemen zur Bereitstellung und dem geeigneten Transfer von Festschmierstoffen in hoch belasteten Kontaktbereichen genutzt werden. Ein wesentliches Kriterium erfolgreicher Forschung im Rahmen des Schwerpunktprogramms soll die nachgewiesene Nutzbarkeit von Ergebnissen in der Anwendung sein.

Methodisches Vorgehen und Werkzeuge

Das Aufgabenfeld des Schwerpunktprogramms wird in die Analyse der Bereitstellungs- und Transferprozesse, deren Modellierung sowie die Umsetzung in Form der Synthese von fluidfreien Schmiersystemen gegliedert. Die Modellierung der Bereitstellungsprozesse basiert dabei auf der Beschreibung des Abtrags des Festschmierstoffs. Die Methodenwahl erfolgt dabei abhängig von einer zentralen (Pressung > 100 MPa) beziehungsweise dezentralen Bereitstellung (Pressung < 100 MPa). Sie ist abhängig von den zugrunde liegenden Mechanismen. Physikalische Transferprozesse, die unter anderem eine Verklammerung der Festschmierstoffe und der Oberflächen beschreiben, können beispielsweise durch Finite-Elemente-Modelle dargestellt werden, die elastisch-plastische Materialmodelle berücksichtigen. Chemische Transferprozesse erfordern die Modellierung der Interaktion zwischen Festschmierstoff und Oberflächen auf atomarmolekularer Ebene. Dafür können molekulardynamische Simulationen eingesetzt werden, die die Beschreibung adsorptiver und reaktiver Verbindungen erlauben.

Als Grundlage zur Analyse der Mechanismen können die Untersuchungen am Maschinenelement selbst oder den Ersatzsystemen mit engem Bezug zur Bauteilanwendung genutzt werden. Die Analyse selbst kann mithilfe von Oberflächen- und/oder Elementanalysen, REM/TEM-Untersuchungen usw. erfolgen. Zu den einzusetzenden Methoden zählen zum Beispiel elektronenmikroskopische Methoden (SEM, FEG-SEM, HR-TEM, EELS, FIB, EBSD) zur Analyse von Transferschichten und die chemische Analytik der Reibkontaktflächen (XPS, AES, SIMS, AFM, LA-ICP-MS, LIBS, Raman, TAP, 3DAP).

Die gesetzten Ziele können durch Kombination von Simulation, Experiment und Analyse erreicht werden. Die Experimente sollen dabei die Betriebsbedingungen annähern und reproduzierbares Verhalten aufzeigen. Analytische Methoden, insbesondere moderne Techniken der chemischen Oberflächen- und der Strukturanalytik, sollen die physikalischen und chemischen Mechanismen identifizieren. Neben der experimentellen und analytischen Forschung sollen simulative Methoden genutzt werden, um die physikalischen und chemischen Mechanismen abzubilden und so Modelle zur Bildung von tribologisch wirksamen Feststoffschmierschichten entwickeln zu können.

Eingrenzung der wissenschaftlichen Fragestellungen

Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf den hoch belasteten Roll-/Wälzkontakten (Pressung >100 MPa bis 5000 MPa). Abhängig vom Schmierungskonzept kann es aber beispielsweise bei der Nutzung eines Schmierstoffdepots auch notwendig sein, die Schmierstoffbereitstellung aus einem solchen geringer belasteten Kontakt in Analyse und Modellierung mit einzubeziehen, um etwa den Verschleiß des Depots so einstellen zu können, dass im hoch belasteten Kontakt stets ausreichend Festschmierstoff zur Verfügung steht.

Bei der Bereitstellung des Festschmierstoffs soll sowohl ein Abtrag des Schmierstoffs in hoch belasteten Bereichen (zentral: Pressung > 100 MPa) als auch in gering belasteten Bereichen (dezentral: Pressung < 100 MPa) betrachtet werden. Dabei sollen die Schmiersysteme geschlossene Systeme sein. So ist die Nutzung einer kontinuierlichen Zuführung von Festschmierstoffen (beispielsweise von außerhalb eines geschlossenen Lagergehäuses) nicht Inhalt des Arbeitsprogramms.

Das vorgesehene Arbeitsprogramm umfasst die Forschung an gängigen Festschmierstoffen, wie zum Beispiel an PTFE, Grafit, MoS2, WS2, dotierten Kunststoffen und weichen Lagermetallen. Die Festschmierstoffe können in gesinterten Bauteilen, in Vertiefungen von Oberflächentexturierungen, in Gleitlacken, in Kunststoffen, als Bauteilwerkstoff (wie Kunststoff) oder als Beschichtung vorliegen. Harte Beschichtungen, wie sie für den Verschleißschutz häufig eingesetzt werden, liegen nicht im Fokus des Schwerpunktprogramms und sollen daher nur in Kombination mit Festschmierstoffen betrachtet werden. Ebenso ist eine reine Werkstoffentwicklung, auch unter Nutzung bestehender Materialien und Mikrosystemtechnik, nicht gewünscht. Auch die Applikation (Prozesstechnik) von Trockenschmierstoffen auf ein Bauteil mit verschiedenen Mechanismen und die Einbringung von Trockenschmierstoffen in den Sinterprozess von Bauteilen aus Metall oder in den Spritzgießprozess von Bauteilen aus Kunststoff liegt nicht im Hauptarbeitsfeld des Schwerpunktprogramms. Beschichtungssysteme sollen hier immer im Zusammenhang mit einer Anwendung erforscht werden, um damit direkt umsetzbare Ergebnisse zu erarbeiten. Der Bereich der Zerspanung und der Umformung soll im Schwerpunktprogramm nicht behandelt werden.

Die hier betrachteten Systeme sollten zunächst einen Temperaturbereich bis maximal 200 °C aufweisen, um Effekte wie Oxidation und Diffusion einzuschränken. Neue Schmierstoffsysteme sollen erst in der zweiten Förderphase behandelt werden, da in der ersten Phase die Analyse, Systematik und Methodik im Vordergrund stehen sollen und sich die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Forschungsbereiche etablieren soll.

Antragstellung

Für interessierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler besteht die Möglichkeit, an einem vorbereitenden Treffen teilzunehmen. Dieses findet am 5. September 2017 in Kaiserslautern statt. Zur Teilnahme melden Sie sich bitte beim Sprecher des Schwerpunktprogramms Prof. Sauer.

Reichen Sie Ihren Antrag bitte bis spätestens 31. Januar 2018 bei der DFG ein. Die Antragstellung erfolgt ausschließlich über das elan-Portal zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten. Bitte wählen Sie unter „Antragstellung – Neues Projekt/Antragsskizze – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2074 – Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ aus.

Berücksichtigen Sie bitte beim Aufbau Ihres Antrags das DFG-Merkblatt 54.01 zu Sachbeihilfen mit Leitfaden für die Antragstellung und die Hinweise im Merkblatt Schwerpunktprogramm 50.05, Teil B. Bitte senden Sie ein weiteres Exemplar des Antrags in elektronischer Form an den Koordinator des Programms.

Handelt es sich bei dem Antrag innerhalb dieses Schwerpunktprogramms um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 3. Januar 2018 ist eine Antragstellung nicht möglich. Bitte wählen Sie im Registrierungsformular bei den abschließenden Angaben ebenso wie bei der Antragstellung Ihr Schwerpunktprogramm aus der angebotenen Liste der Ausschreibungen aus. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Weiterführende Informationen

Das elan-Portal der DFG zur Einreichung der Anträge finden Sie unter:

Die Merkblätter DFG-Vordruck 50.05 und 54.01 stehen unter:

Inhaltliche Fragen beantwortet Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms:

  • Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer,
    Technische Universität Kaiserslautern,
    Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik,
    Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik,
    Tel. +49 631 205-3405,
    sauer@mv.uni-kl.de

Auskünfte zur Antragstellung bei der DFG erteilen:

Fachlich:

Formal:

Hinweis:

Diese "Ausschreibung - Information für die Wissenschaft" ist unter der URL
www.dfg.de/foerderung/info_wissenschaft/2017/info_wissenschaft_17_33/
erreichbar. Bitte verwenden Sie ausschließlich diese URL, um das Dokument zu zitieren oder per Link einzubinden.

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