Funktionale Oberflächenstruktur durch Lasertechnik

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Christina Junge
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1 Funktionale Oberflächenstruktur durch Lasertechnik Vorstellung des BMBF-Projekts SmartSurf Effizienzfabrik-Treff Ressourceneffiziente Oberflächentechnik , VDMA, Frankfurt Stephan Eifel, Fraunhofer Institut für Lasertechnik, Aachen

2 Projektziele SmartSurf Auslegung und Herstellung ressourcensparender Mikrostrukturen an hochbelasteten Bauteilen zur Reduzierung von Kraftstoff- und Schmiermittelverbrauch Verschleiß Anlagerungen Materialeinsatz beim Spritzguss (Entlüftung) Reibung Motorentechnik Dichtungstechnik Hydraulikkomponenten

3 Grundlagen der Tribologie: Gleitlager F R Reibpartner B Reibpartner A F Schmiermittel

4 Grundlagen der Tribologie: Stribeck Kurve (1902) Haftreibung/ Grenzreibung F R I II III v

5 Grundlagen der Tribologie: Stribeck Kurve (1902) Mischreibung F R I II III v

6 Grundlagen der Tribologie: Stribeck Kurve (1902) Flüssigkeitsreibung F R Die meisten Anwendungen überdecken einen gewissen Geschwindigkeitsbereich I II III v Quelle Video: Wikipedia

7 Reibungsminimierung durch Mikrostrukturen in den Reibpartnern hydrodynamischer Druckaufbau durch Mikrostrukturen 2 p h η v L hydrodynamisches Gleitlager Volumenanteil Gas/Öl 100 % Gas / 0 % Öl 0 % Gas / 100 % Öl

8 Literatur/Erfahrungswerte Golloch (Univ. Hannover) 2005: Lasertexturierung des oberen Totpunkt mit Näpfchen, Test mit Daimler Diesel und VW Benziner Längliche Näpfchen: l=3 mm, t=10-25µm, Abstand 2 mm (horizontal, vertikal) Abnutzungstests mit VW Motor: Fast 25% weniger Abnutzung im Vergleich zu gehonter Struktur Etsion (Univ. Haifa) 2009: Partielle Texturierung von ebenen Kolbenringen, Test im Transit Motor Runde Näpfchen: d=90-100µm, t=9-10µm, 55-66% Bedeckung Keine Änderung der in Gasemissionen (NOx, CO2,etc.) Bis zu 4% geringerer Spritverbrauch!

9 Langzeittest: Ergebnisse Opel 4-Zylinder Verschleiß über km Ölverbrauch über km

10 Oberflächen vor und nach dem Einsatz Oberfläche nach der Laserbearbeitung Oberfläche nach einer Laufleistung von km

11 Das Optimum ist noch nicht erreicht Optimale Struktur noch nicht bekannt Untersuchung des optimalen Profils der Strukturen erwünscht Untersuchung der optimalen Verteilung der Strukturen erwünscht Detaillierteres Verständnis des Effekts erwünscht Genauere Herstellmethoden der Strukturen werden benötigt Übertragung des Effekts in neue Anwendungsbereiche Motorentechnik Dichtungstechnik Hydraulikkomponenten

12 Partnerpräsentation SmartSurf - Zusammenarbeit Tribologie iststrukturanalyse Simulation Maschinenentwicklung Strukturauslegung Messtechnik Anwender Kolben/Zylinder Dichtungen Hydraulik

13 Optimierung des Laserhonens Vorhonen Glättung der Zylinderinnenwand Laserhonen mit ns - Laser Produktion von Laserstrukturen mit Schmelzaufwürfen Feinhonen Entfernung der Aufwürfe Einsatz

14 Optimierung des Laserhonens Vorhonen Glättung der Zylinderinnenwand Laserhonen mit UKP Laser Produktion von Laserstrukturen hoher Qualität ohne Schmelzaufwürfe Einsatz

15 Laserabtrag mit (Ultra-)Kurzpulslasern Bearbeitungszeit 10 Std. Abtragsvolumen 100 mm 3 Abtragsqualität vergleichbar mit Erodieren Keine Werkzeuge notwendig ns-laser ps-laser erodiert

16 Konzept der Lasermikrostrukturierung

17 Konzept der Lasermikrostrukturierung Randschnitte Schraffur Brennfleck Spurabstand Bearbeitungsspuren Schnitt mit Bearbeitungsschichten Quelle:

18 Strukturierung von Kolbenringen

19 Gratfreier Abtrag in Keramiken und Metallen

20 Ergebnisse Anwendungsbereich Motoren (Linienkontakt) Verschleißminimierung durch Strukturierung von Kolbenringen konnte bestätigt werden Strukturdichte hat deutlichen Einfluss auf den Effekt Parameterraum der Einflüsse ist sehr groß Tribometer bilden das komplexe System Verbrennungsmotor nur hinreichend ab Reihe von Motorentests im letzten Projektjahr geplant Weiterentwicklung der Technik durch neue Laserhonanlage bei Gehring auch über Projektlaufzeit gesichert

21 Ergebnisse Anwendungsbereich Hydraulik (Flächenkontakt) Bosch Rexroth AG

22 Ergebnisse Anwendungsbereich Hydraulik (Flächenkontakt) Bosch Rexroth AG 25% Reibungsminimierung durch Strukturierung der Außenseite der Kolben in mehreren Versuchen verifiziert!! Optimierung der Strukturen

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

24 Kontaktdaten Stephan Eifel Dipl.-Phys. Mikro- und Nanostrukturierung Steinbachstraße Aachen Phone: +49 (0)241/ Fax: +49 (0)241/

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