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Schmierstoff Schmierstoffe mit virtueller Superlupe simulieren

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Wird ein Schmierstoff neu entwickelt oder verbessert, ist es wichtig, sein Verhalten zu kennen. Bisher ist es schwierig den perfekten Schmierfilm zu messen. Eine atomistische Methode macht Schmierstoffeigenschaften jetzt berechenbar.

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Alkan-Moleküle, deren Viskosität mittels Molekulardynamiksimulation bei Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen berechnet wurden (links) sowie benötigte Molekül-Struktureigenschaften.
Alkan-Moleküle, deren Viskosität mittels Molekulardynamiksimulation bei Hochdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen berechnet wurden (links) sowie benötigte Molekül-Struktureigenschaften.
(Bild: Fraunhofer IWM)

Geschmierte Wellen, Lager oder Getriebe laufen nur dann „wie am Schnürchen“, wenn die Bauteile auf einem perfekten Schmierfilm gleiten und dabei möglichst wenig Reibung, Verschleiß und Energieverlust erzeugen. Um einen Schmierstoff neu zu entwickeln oder zu verbessern, ist es wichtig, sein Verhalten genau zu kennen: Druck, Temperatur, Scherrate und Viskosität sind dabei wichtige Größen. Bisher war das Verhalten des Schmierfilms im sogenannten Tribokontakt mit Experimenten kaum messbar.

Das Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum µTC, macht darum Schmierstoffeigenschaften mittels atomistischer Methoden berechenbar und hat jüngst spannende Erkenntnisse zu einer der zentralen Kenngrößen, der Druckabhängigkeit der Schmierstoffviskosität, in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Bisherige Experimente kommen an Grenzen

„Den Schmierfilm experimentell zu vermessen ist sehr schwer, weil die dazu benötigen Bedingungen kaum kontrolliert einzustellen sind“, erklärt Dr. Kerstin Falk, Mitarbeiterin der Gruppe Multiskalenmodellierung und Tribosimulation des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM. In einigen Bereichen treten laut Expertin zum Beispiel so extreme Pressungen auf, dass lokal ein Druck im Giga-Pascal-Bereich entsteht.

Bisher wurden Vorhersagen für das Schmierstoffverhalten bei hohem Druck meist aus „Hochrechnungen“ der Ergebnisse von Experimenten in normalem Druckbereich gewonnen. Leider versagt dieses Vorgehen jedoch bei den extrem hohen Drücken, die lokal in geschmierten Reibkontakten auftreten.

Viskosität bei hohem Druck exakt berechnen

Mit atomistischen Molekulardynamiksimulationen kann jedoch die Physikerin Schmierstoffeigenschaften wie die Viskosität unter kontrollierten, beliebig einstellbaren Druck- und Temperaturbedingungen vorhersagen. „Wir haben die Viskosität sehr erfolgreich für verschiedene Modellschmierstoffe bei Druck bis hin zu 700 Mega-Pascal berechnet“, sagt Dr. Kerstin Falk. Dabei bestanden die Modell-Schmierstoffe aus einfachen linearen oder aus verzweigten Alkanen. Dabei sind Alkane oder Paraffine sehr stabile Ketten aus Kohlenstoff und Wasserstoff, und bilden den Grundbestandteil vieler gängiger Öle und Kraftstoffe.

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Virtuelle Superlupe gibt besondere Einblicke

Das eigentliche Ziel der Wissenschaftler war es, ein praktikableres Vorhersagemodell als bisher zu erhalten. Es sollte die Berechnung der Viskositätswerte für bestimmte Bedingungen im Reibspalt erlauben, ohne erst aufwändige Molekulardynamiksimulationen durchführen zu müssen. Dazu nutzten Dr. Kerstin Falk und ihre Kollegen Dr. Daniele Savio und Prof. Michael Moseler atomistische Simulationen, die wie eine „virtuelle Superlupe“ Einblicke auf die mikroskopische Struktur und Dynamik der Schmierstoffmoleküle ermöglichen.

So fand das Team heraus, welche drei molekularen Eigenschaften eines Schmierstoffs seine Viskosität maßgeblich bestimmen:

  • die Molekül-Querschnittsflächen
  • die Kettenflexibilität und
  • der Abstand zwischen den einzelnen Molekülen

Passender Schmierstoff für jeweilige Anwendung

Sind diese Eigenschaften einmal bestimmt, lässt sich damit die Viskosität eines Schmierstoffs bei verschiedensten Bedingungen einfach und genau berechnen. „Umgekehrt benutzt können wir mit dieser Simulationsmethode auch die passenden Moleküle für bestimmte tribologische Beanspruchungen finden“, sagt Dr. Kerstin Falk. „Und in Kombination mit zusätzlichen quantenchemischen Simulationen zur Wechselwirkung des Schmierstoffs mit Bauteiloberflächen können wir unseren Kundinnen und Kunden den passenden Schmierstoff für ihre Anwendung vorschlagen“, fügt Prof. Michael Moseler hinzu.

Wasserbasierte Schmierstoffe charakterisieren

Mit den gewonnenen Ergebnissen wollen die Wissenschaftler in Zukunft auch das Schmierstoffverhalten bei sehr großen Geschwindigkeiten und damit großen Scherraten untersuchen. Zudem wird untersucht, wie sich ein Schmierstoff in einem sehr engen Reibspalt verhält, der nur wenige Moleküldurchmesser breit ist. Auch andere Schmierstoffe können Dr. Kerstin Falk und ihre Kollegen mit der neuen Methode charakterisieren – beispielsweise wasserbasierte Schmierstoffe für umweltverträgliche Anwendungen.

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