Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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PFASfrei: Substitution und Vermeidung PFAS-haltiger Schmierstoffe

Abgeschlossenes Forschungsprojekt

Das Projekt zielte darauf ab, nachhaltige Alternativen zu PFAS-haltigen Schmierstoffen für mechanische Systeme zu entwickeln. PFAS zeichnen sich durch hohe thermische und chemische Beständigkeit aus, stellen jedoch eine erhebliche Umweltbelastung dar. Schwerpunkte waren Anwendungen wie Planetengetriebe mit hohen Belastungs- und Geschwindigkeitsanforderungen. Als Lösungsansatz wurden alternative Schmierstoffe bzw. ionische Flüssigkeiten in Kombination mit Beschichtungen evaluiert. Mit dieser im Projekt praktizierten Vorgehensweise sollen in Zukunft praxisorientierte Ansätze zur Substitution von PFAS-Schmierstoffen in vielen anderen Anwendungen validiert und marktfähig gemacht werden.

Projektbeschreibung

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (kurz: PFAS) bieten einzigartige Eigenschaften wie hohe thermische und chemische Beständigkeit und werden daher in mechanischen Systemen unter höchsten Beanspruchungen (Temperaturen, chemische Umgebungen, Vakuum, Lebensmittelindustrie, etc.) eingesetzt, in denen konventionelle Schmierstoffe nicht ausreichend stabil sind. PFAS sind daher in solchen Anwendungen sehr schwer zu ersetzen und es gibt keine Patentrezepte für deren Substitution. Das Projekt zielte darauf ab, PFAS-freie Lösungen zu identifizieren und ihre Substitution in mechanischen Anwendungen voranzutreiben.

Die Vermeidung von PFAS stellt eine dringende Notwendigkeit dar, jedoch resultieren daraus auch erhebliche Herausforderungen, da leistungsfähige Schmierstoffe auf PFAS-Basis in vielen Anwendungen unverzichtbar sind. Auch wenn in einigen Widerspruchsverfahren Ausnahmeregelungen für bestimmte Einsatzbereiche erzielt werden könnten, bleibt die langfristige Entwicklung umweltfreundlicherer und zugleich leistungsfähigerer Ersatzstoffe für möglichst viele Anwendungsbereiche entscheidend. Das Projekt verfolgte das Ziel, anhand eines Anwendungsfalls eine effiziente Vorgehensweise zur Bewertung von Substitutionsmöglichkeiten für PFAS-haltige Schmierstoffe in verschiedenen Anwendungsbereichen zu entwickeln. Dazu wurden folgende Teilziele verfolgt:

  • Identifikation von Handlungsfeldern: Anwendungsbereiche mit hohem Substitutionsbedarf wurden unter Berücksichtigung technischer, ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte analysiert.
  • Entwicklung anwendungsspezifischer Lösungsansätze: Für den ausgewählten Einsatzfall wurden PFAS-freie Lösungen identifiziert oder alternative Ansätze, wie die Kombination von PFAS-freien Schmierstoffen mit diamant-ähnlichen Beschichtungen, definiert.
  • Experimentelle Validierung: Die entwickelten Lösungsansätze wurden experimentell auf ihre Funktionalität und Eignung geprüft.

Arbeitspakete

Arbeitspaket 1 – Lastenheft

Für den Use Case Planetengetriebe wurde ein Lastenheft erstellt, um die Anforderungen an PFAS-freie Schmierstoffe und ggf. Beschichtungen für miniaturisierte Antriebssysteme systematisch festzulegen.

Arbeitspaket 2 – Beschichtung

Im Fokus stand die Entwicklung und qualitätsgesicherte Abscheidung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC) als tribologisch wirksame Funktionsschichten, um die Beanspruchungen der Schmierstoffe in anspruchsvollen Anwendungen (u. a. Planetengetriebe-Demonstrator) zu senken und die Substitution von PFAS-haltigen Schmierstoffen zu unterstützen.

Arbeitspaket 3 – Schmierstoffauswahl und Bemusterung

Für den Anwendungsfall Planetengetriebe wurden geeignete PFAS-freie Schmierstoffe ausgewählt und entsprechende Muster für tribologische und stabilitätsbezogene Untersuchungen beschafft.

Arbeitspaket 4: Tribologische Qualifizierung

Ziel des Arbeitspakets war die tribologische Bewertung der ausgewählten PFAS-freien Schmierstoffe im Vergleich zu PFAS-haltigen Referenzen. Untersucht wurden Reibungsverhalten, Verschleißbeständigkeit und Temperaturstabilität in Kombination mit und ohne DLC-Beschichtung.

Arbeitspaket 5 – Demonstration

Der gesamte Entwicklungsprozesses zur PFAS-Substitution wurde digital abgebildet und dokumentiert. Neben der experimentellen Prüfung geeigneter Schmierstoff-/Beschichtungskombinationen im Planetengetriebe wurden die Ergebnisse strukturiert erfasst, automatisiert ausgewertet und nach FAIR-Prinzipien (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) in eine digitale Tribodatenbank integriert. 

Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM

Basierend auf den Erkenntnissen aus AP 1 - 4 wurde ein strukturierter Workflow zur Substitution PFAS-haltiger Schmierstoffe erarbeitet. Dieser Workflow bildet den vollständigen Entwicklungszyklus ab:

  1. Datenerhebung I: Definition von Beanspruchungen und Zielgrößen (Lastenheft)
  2. Datenerhebung II: Durchführung von Modell- und Komponentenprüfungen
  3. Automatisierte Datenauswertung: Python-basierte Skripte verarbeiten Messdaten (z. B. Reibwerte, Reibarbeit, Effizienz) und generieren automatisch Diagramme, Kennwerte und Statistiken.
  4. Dokumentation & Empfehlung: Ergebnisse werden strukturiert archiviert und für die Ableitung zukünftiger Substitutionsstrategien genutzt. 

Förderhinweis