Mechanismen der Graphitschmierung in Wälzkontakten

Projektbeschreibung

Marktbedarf und gesellschaftliche Herausforderung

Wälzlager sind Schlüsselkomponenten in nahezu allen Maschinen und Anlagen – von Windkraftanlagen über Elektromotoren bis hin zu Industriegetrieben. Konventionelle Schmierstoffe wie Öle und Fette verlieren ihre Funktionalität bereits ab Temperaturen von ca. 180 °C, was zu Verschleiß, ungeplanten Ausfällen und kostspieligem Wartungsaufwand führt. Mit dem Trend zu höheren Leistungsdichten, Hochtemperaturprozessen und wartungsarmen Systemen – etwa in der Elektromobilität oder in der Luft- und Raumfahrt – steigt der Bedarf an alternativen Schmierlösungen, die auch unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Gleichzeitig stellt die Nachhaltigkeit einen wachsenden Anspruch dar: Additivierte Schmieröle sind ökologisch bedenklich und müssen regelmäßig ausgetauscht werden.

Lösungsansatz des Projekts

Das Projekt verfolgte einen multiskaligen Ansatz zur Erforschung von Graphit als eigenständigem Festschmiermittel für Wälzkontakte – von atomistischen Simulationen über Modellexperimente bis hin zu Systemversuchen an realen Wälzlagern. Erstmals wurden die Wirkmechanismen von Graphit unter realitätsnahen Hochlastbedingungen systematisch aufgeklärt. Dabei wurden strukturelle Umwandlungen von Graphit zu turbostratischem Kohlenstoff am Reibinterface entdeckt und der Einfluss von Luftfeuchtigkeit auf die Schmierwirkung auf atomarer Ebene modelliert. Darüber hinaus wurde eine neue Klasse von Verbundschichten aus Graphit und Phenolharz entwickelt und evaluiert, die die Standzeitproblematik reiner Graphitschichten erheblich entschärft. Als innovative Nachschmierlösung wurde ein Graphit-Phenolharz-Pin als Opferbauteil in das Lager integriert.

Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen

Die Projektergebnisse liefern die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung von Wälzlagern mit Lebensdauerschmierung auf Graphitbasis – also Lagern, die über ihre gesamte Betriebsdauer ohne Nachschmierung auskommen. Graphit-Phenolharz-Beschichtungen erzielten in Systemtests eine Standzeit von mindestens 200.000 Zyklen mit einem Reibungsverhalten auf dem Niveau konventioneller Fettschmierung. Dies eröffnet industriellen Anwendern die Möglichkeit, Wartungsintervalle drastisch zu reduzieren, Maschinenausfälle zu minimieren und Hochtemperaturanwendungen wirtschaftlich und umweltfreundlich zu betreiben.

Arbeitspakete des Fraunhofer IWM im Projekt

Das Fraunhofer IWM hat mit Hilfe nanoskaliger Simulationen fundiertes Grundlagenwissen zu den Schmiermechanismen von Graphit geschaffen und damit Erkenntnisse geliefert, die mit experimentellen Methoden allein nicht zugänglich sind.

• Mechanistische Erklärung des feuchtigkeitsabhängigen Graphitschmierverhaltens.
• Erklärung für die Umwandlung von Graphit zu turbostratischem Kohlenstoff am Reibinterface – ein Phänomen, das zuvor in der wissenschaftlichen Literatur nicht beschrieben war.
• Graphitschmierung bei – veröffentlicht gemeinsam mit den Projektpartnern in Nature Communications (2022).
• Physikalische Grundlage für gezielte Werkstoff- und Beschichtungsentwicklungen

Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:

1. Atomistische Simulation von Festschmierstoffen

Das Fraunhofer IWM führt Tight-Binding- und Molekulardynamik (MD)-Simulationen durch, um Reibmechanismen bei Festschmierstoffen auf atomarer Ebene aufzuklären.

• Atomistische Simulation von Materialien wie Graphit, MoS₂, h-BN oder Verbundwerkstoffen
• Analyse und Visualisierung von Reibmechanismen auf molekularer Ebene
• Vergleichende Bewertung verschiedener Materialkandidaten

2. Feuchtigkeits- und temperaturabhängige Schmierstoffmodellierung

Das Fraunhofer IWM erstellt simulationsbasierte Analysen zum Einfluss von Umgebungsbedingungen auf die Schmierwirkung von Festschmierstoffen in hochbelasteten Kontakten.

• Modellierung des Einflusses von Feuchte, Temperatur und Atmosphäre auf das tribologische Verhalten
• Analyse des Schmierverhaltens unter Extrembedingungen (Vakuum, Hochtemperatur, wechselnde Klimabedingungen)
• Simulationsgestützte Auslegungsempfehlungen für spezifische Betriebsumgebungen

3. Entwicklung und Bewertung neuer Festschmierstoff-Verbundsysteme

Aufbauend auf umfangreichen Erkenntnissen zu Graphit-Phenolharz-Systemen unterstützt das Fraunhofer IWM Industriepartner bei der Entwicklung maßgeschneiderter Festschmierstoffbeschichtungen – von der Auslegung bis zur Charakterisierung.

• Auslegung und Simulation anwendungsspezifischer Festschmierstoffbeschichtungen
• Werkstoffliche Charakterisierung und tribologische Bewertung von Verbundsystemen
• Optimierung von Schichtaufbau und Zusammensetzung für definierte Lastbedingungen

4. Multiskalige Reibungs- und Verschleißmodellierung / Digitale Zwillinge

Das Fraunhofer IWM setzt eine durchgängige Modellierungsmethodik ein, die Simulationsparameter von der atomistischen bis zur makroskopischen Skala überträgt – und damit den Aufbau digitaler Zwillinge realer tribologischer Systeme ermöglicht.

• Aufbau digitaler Zwillinge tribologischer Systeme auf Basis skalenübergreifender Parameterübertragung
• Vorausschauende Lebensdauerprognosen für Realbauteile und -systeme
• Simulationsgestützte Auslegungsoptimierung ohne experimentelle Prüfreihen