Zusammenspiel von Wärme und Reibung bei Kunststoff-Bauteilen besser abschätzen

Die Eigenschaften von Kunststoffen hängen stark von der Temperatur ab. Wird es wärmer, verhalten sie sich anders als bei niedrigen Temperaturen. Dies hat bei Bauteilen auch Einfluss auf die Reibung. Dr. Nicholas Ecke von der TU Kaiserslautern (TUK) hat in seiner Promotion eine Methode entwickelt, um den Wärmehaushalt bei Kunststoff-Bauteilen besser abzuschätzen. Für seine Arbeit ist er mit dem OECHSLER-Preis des Wissenschaftlichen Arbeitskreises der Universitätsprofessoren der Kunststofftechnik (WAK) ausgezeichnet worden. Der Preis würdigt jährlich die beste Arbeit zu Methoden und Ansätzen zur Entwicklung und Konstruktion von Bauteilen aus Kunststoffen und ist mit 5.000 Euro dotiert.

Kunststoffe kommen in der Industrie oft zum Einsatz, beispielsweise bei Lagern aller Art, die etwa in Produktionsmaschinen oder Fahrzeugen Verwendung finden. Im Betrieb der Maschinen sind sie einer gewissen Reibung ausgesetzt, die je nach Einsatzort stärker oder schwächer sein kann. "Da wo Reibung vorliegt, wird ein Großteil der Energie in Wärme umgesetzt", sagt Dr. Nicholas Ecke, der am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (CCe) bei Professor Dr. Alois Schlarb forscht. "Eigenschaften von Kunststoff sind stark temperaturabhängig."
So verhalten sich Reibungsvorgänge bei Raumtemperatur anders als zum Beispiel bei 100 Grad Celsius. „Dies hat auch Einfluss auf die Eigenschaften des Kunststoffs, wie etwa auf die Festigkeit", fährt er fort. "Sie verändern sich, was wiederum dazu führt, dass sich das tribologische Verhalten ändert." Dabei kommt es zu einer Rückkopplung: Wärme und Reibung beeinflussen sich gegenseitig. 

Der Begriff Tribologie bezeichnet die Wissenschaft von Reibung, Verschleiß und Schmierung. In den Laboren auf dem Unicampus untersucht das Team des Lehrstuhls das tribologische Verhalten von unterschiedlichen Werkstoffen mit Hilfe eines Stift-Scheibe-Tribometer, auch Pin-on-disc genannt. Eine kleine rechteckige Probe (Stift) wird dabei in eine Halterung gespannt. Darüber wird eine Metallscheibe eingesetzt, die direkt auf der Probe aufliegt. In diesem Prüfstand kann sich die Scheibe mehrere Stunden drehen. "Die Probe hat eine ganz andere Geometrie als zum Beispiel ein Bauteil einer Lagerbuchse", erläutert der Ingenieur. "Das heißt, wir haben hier aufgrund der Form ein anderes Ergebnis als in der Anwendung."

Diese Problematik war der Ausgangspunkt für Eckes Promotion. In seiner Arbeit hat der Ingenieur einen Werkstoff aus Kunststoff und Stahl untersucht. Um seine Methode zu entwickeln, die den Wärmehaushalt des Materials besser beschreiben soll, hat er zwei Verfahren herangezogen. Zum einen hat Ecke bei dem Prüfstand im Labor (Stift-Scheibe-Tribometer) das Material geprüft und dabei aktiv die Temperatur geregelt. "Bei konstanter Last und veränderter Temperatur kommt es auch zur Änderung der Reibung", sagt Ecke. In einem nächsten Schritt hat er in einem Simulationsmodell eines anwendungsnahen Systems untersucht, wie sich die Temperatur mit verschiedenen Reibungskoeffizienten verändert. "Aus den Prüfstandmessungen weiß ich, wie der Reibungskoeffizient in Abhängigkeit der Temperatur ist. Aus den Simulationen wiederum weiß ich, wie die Temperatur in Abhängigkeit vom Reibungskoeffizienten ist", fährt er fort. "Führt man diese Ergebnisse zusammen, erhält man eine Abschätzung, wie sich der Wärmehaushalt in der Anwendung tatsächlich verhält." 
Die Methode, die Ecke entwickelt hat, hilft abzuschätzen, wie hoch die Reibung im Betrieb ist. Dies ist zum Beispiel für den Energieverbrauch von Bedeutung. Eine Rolle spielt die Reibung gegebenenfalls auch für die Funktion eines Bauteils; ist die Reibung zu hoch, läuft nichts mehr. 

Seine Dissertation "Zum Einfluss des Wärmehaushalts bei der tribologischen Prüfung von Kunststoffen" ist mit dem OECHSLER-Preis ausgezeichnet worden. Ecke hat den Preis Anfang November 2021 im Rahmen einer Feierstunde am Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen entgegengenommen.Dabei wurde auch sein Kollege Simon Shi, ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, geehrt. Er erhielt im vergangenen Jahr den OECHSLER-Preis für seine Masterarbeit "Simulation of the heat development of reinforced plastics under tribological load considering local effects". Aufgrund der Corona-Pandemie konnte er den Preis 2020 nicht persönlich in Empfang nehmen. In seiner Arbeit hat er ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem sich die Rauheit einer Materialoberfläche auf mikroskopischer Ebene berücksichtigen lässt und sich so der Verschleiß nur an den eigentlichen Kontaktflächen ermitteln lässt.