Aktuelle Projekte am IKD

Reibung und Verschleiß verursachen jährlich hohe volkswirtschaftliche Schäden, auch in Anwendungen mit Kunststoffen, in denen eine Schmierung durch Medien oder Additive im Kunststoff nicht möglich ist. Eine gezielte Strukturierung der Kunststoffoberflächen soll hierbei eine Verbesserung der Kratz- und Verschleißwerte sowie der Reibwerte hervorrufen. Die prinzipielle Wirkweise von Mikrostrukturen in Bauteiloberflächen ist dabei noch nicht ausreichend erforscht, weshalb Dimensionierungsgrundlagen fehlen. Zusätzlich ist die Herstellung der Mikrostrukturen stark werkstoffabhängig. 

In diesem Projekt soll daher der Einfluss von Oberflächenstrukturen auf Reibung und Verschleiß bzw. Kratzen untersucht werden, wodurch am Ende des Projekts ein Werkzeug zur gezielten Dimensionierung von Oberflächenstrukturen entwickelt werden soll. Mit Hilfe dieses Wergzeugs sollen ungeschmierte tribologische Systeme verbessert und somit wertvolle Ressourcen eingespart werden.

Hierfür soll eine Musterstruktur entwickelt werden, für die eine analystisch und FEM-basierte Modellierung erfolgen soll. Das so erstellte Modell soll durch Kratzexperimente validiert werden. Zusätzlich sollen die mechanischen Parameter und Oberflächeneigenschaften der Musterstruktur ermittelt und mittels Parameterstudien überprüft werden.

Mit Hilfe der gesammelten Daten soll eine Anwendersoftware erstellt werden, mit der das Verhalten von Mikrostrukturen sowohl bei Einzel- als auch bei Mehrfachkontakt unter spezifischen Belastungs- und Umgebungsbedingungen simuliert werden kann.

In der Industrie spielt Zeit eine wichtige Rolle, bei jedem Verfahren sollen die Zykluszeiten minimiert und Energie eingespart werden. Um dies zu erreichen müssen die verschiedenen Fertigungsschritte analysiert und optimiert werden. Deshalb soll zur Nachbehandlung und Weiterverarbeitung von PMMA-Platten ein Verfahren entwickelt werden, dass durch die Verwendung von Hochfrequenztechnik die Zykluszeit minimiert und die hohen Energiekosten senkt. Aktuell werden Platten in einem Umluftofen getempert, was je nach Plattendicke mehrere Stunden dauern kann. Bei der Weiterverarbeitung werden die Platten aktuell mit einem lösemittelhaltigen Klebstoff miteinander verklebt.
Projektziel ist es eine Temper-Einheit und eine Verschweiß-/Klebeeinheit zu entwickeln, in denen thermoplastische Platten dielektrisch erwärmt werden. Die PMMA-Platten sollen in einem HF-Durchlaufofen erwärmt werden und somit zu einem besseren Abbau der Eigenspannungen und zur Planlage beitragen. Parallel zum Tempern soll eine Anlage entwickelt werden, die PMMA-Platten an den vordefinierten Randflächen anschmilzt, um ein Verschmelzen/Verkleben mit weiteren PMMA-Platten zu gewährleisten. Dies soll das Verkleben durch lösemittelhaltige Klebemittel ersetzen um einen besseren Arbeitsschutz, geringere Ausschussrate sowie höhere Verarbeitungsqualität des Endprodukts zu gewährleisten.

Die Belagbildung an Maschinen- und Werkzeugoberflächen ist ein Phänomen, das aufgrund resultierender Stippen im Kunststoffbauteil allzu oft in Produktionsunterbrechung und Ausschuss endet. Bis heute existiert zur Vermeidung keine verlässliche und zuverlässig wirksame Abhilfemaßnahme. Ein Grund für Beläge sind Eisen-Ionen, die in den Kunststoff diffundieren und dort mit den Kunststoffketten wechselwirken. Um der Belagbildung entgegenzuwirken werden in der Praxis häufig dünne Beschichtungen auf die Stahloberflächen aufgebracht, die auch als Barriereschicht zur Vermeidung der Eisen-Ionen-Diffusion dienen. Die Wirksamkeit dieser Beschichtungen hängt jedoch auch von deren Intaktheit ab. Welchen Einfluss thermomechanische Betriebsbeanspruchungen auf die Beschichtungen ausüben, soll im aktuellen Forschungsvorhaben geklärt werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Bildung und Wirkung von Mikrorissen in den Beschichtungen. Letztlich sollen sich geeignete Richtlinien und Handlungsempfehlungen ableiten lassen, die die Auslegung der Komponenten hinsichtlich zulässiger Deformation und ausreichender Duktilität umfassen, sowie Empfehlungen zu Reinigungsprozessen.

In diesem vom BMWi geförderten ZIM-Projekt soll ein Compound aus Polyamid und präzipitiertem Kalziumkarbonat (PCC) entwickelt werden, welches gegenüber bestehenden Compounds erhöhte mechanische Kennwerte und einen hohen Weißheitsgrad aufweist. Dazu sollen die Kristallmodifikation des Kalziumkarbonats, die Morphologie der PCC-Partikel und die Beschichtung der Partikel geeignet gewählt werden. Für die Prüfung der vorwiegend mechanischen Eigenschaften soll eine Screeningmethode entwickelt werden, bei der Kratzprüfungen an Extrudatsträngen Aufschluss über z.B. E-Modul und Streckspannung geben können. Hierzu soll auch die Simulation des Kratzexperiments beitragen. Ein zweiter Forschungsschwerpunkt betrifft die Entwicklung einer Prüfmethode und eines Probekörpers, durch die mit Hilfe der digitalen Bildkorrelation für die lokale Dehnungsmessung und die Kopplung mit FEM-Simulationen mehr Materialdaten in kürzerer Zeit im Vergleich zu Experimenten nach Norm gewonnen werden können. Beide Methoden werden bei erfolgreicher Entwicklung also schneller im Entwicklungszyklus Tendenzen erkennen lassen bzw. schneller und mit weniger Materialeinsatz vollständige Materialkarten liefern.