Umweltfreundliche Lösung

Gleitlager sollen in Zukunft mit Wasser geschmiert werden

In situ-Tribometer von Fraunhofer
Mit dem neu entwickelten In situ-Tribometer lassen sich direkt im Betrieb Verschleiß und Reibwerte von Gleitlagern messen. Bild: Fraunhofer IWM
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Da die Lager von Maschinen in der Regel mit Öl geschmiert werden, landen viele dieser Öle auch heute noch immer in der Umwelt. Aus diesem Grund haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Gleitlager künftig auf Wasserbasis schmieren lassen können. Eine deutlich umweltfreundlichere Lösung.

Um zu verhindern, dass Metall auf Metall reibt und die Lager verschleißen, werden für gewöhnlich Schmierstoffe auf Mineralölbasis verwendet. Etwa eine Million Tonnen Schmiermittel werden so in Deutschland jedes Jahr verbraucht. Ebenfalls problematisch: Herstellung, Betrieb und Entsorgung des Öls.

Es braucht also eine Lösung, die einen positiven Effekt auf die Umwelt hat. Hier kommen Schmierstoffe auf Wasserbasis ins Spiel. Bislang sprach allerdings gegen diesen Ansatz, dass Metallteile korrodieren, wenn sie Wasser ausgesetzt sind. In Freiburg ist es jetzt einer Arbeitsgruppe vom Fraunhofer IWM gelungen, Wasser mithilfe von Additiven so zu verändern, dass es in Zukunft tatsächlich als Schmierstoff eingesetzt werden könnte. Dr. Tobias Amann und seine Kollegen am Fraunhofer IWM konnten damit gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Zum einen verbessert sich die Schmierung insgesamt, weil Wasser weniger zähflüssig als Öl ist. Zum anderen wird die Korrosion verhindert.

Die Forscher haben ihr Verfahren an einem Gleitlager entwickelt. Ein solches Lager ähnelt einem Ring, der eine rotierende Welle aus Stahl umfasst. Er besteht aus mehreren Schichten, die von außen nach innen folgendermaßen aufgebaut sind: einer Hülse, die das Lager umgibt, einer Schicht aus Aluminium und einer Schicht aus gesintertem Metall, die die Welle umfasst. Die gesinterte, innere Schicht ist von einem kleinen Kanal durchzogen. Damit kann das Wasser zwischen der rotierenden Welle und der äußeren Aluminiumschicht fließen, was entscheidend für den elektrochemischen Prozess ist. Dieser beruht darauf, dass sich zwischen unedlen Metallen wie Aluminium und edleren Metallen wie Eisen eine elektrische Spannung aufbaut – ganze ohne ein elektrisches Feld von außen anlegen zu müssen.

Umweltfreundliche Gleitlager mit Wasserschmierung Skizze
Ein neues Gleitlagerdesign mit Wasserschmierung und galvanischer Kopplung, das ohne zusätzlichen Strom die Tribokorrosion verhindert. Bild: Fraunhofer IWM

Wasser in Schmierstoff verwandeln

Diese zwischen dem Aluminium im Gleitlager und dem Eisen in der Welle herrschende elektrische Spannung nutzen die Forscher aus, um das Wasser in einen Schmierstoff zu verwandeln. „Wir mischen dem Wasser sogenannte ionische Flüssigkeiten zu“, erklärt Dr. Tobias Amann vom Fraunhofer IWM. „Dabei handelt es sich um flüssige Salze, die Anionen und Kationen enthalten.“ Im elektrischen Feld richten sich diese Ionen aus und lagern sich auf der Innenseite des gesinterten Metallrings ab – und zwar so, dass ihre Enden nach oben, der rotierenden Welle entgegen ragen. So bilden sie eine Art galvanisch hergestellte Schutzschicht, auf der die Welle gleiten kann.

Gleitlager galvanisch gesteuerter Reibkontakt
Im galvanisch gesteuerten Reibkontakt lagern sich die ionischen Fluide an die Metalloberfläche an und verbessern so die tribologischen Eigenschaften Reibung und Verschleiß. Bild: Fraunhofer IWM

Das Forscherteam konnte inzwischen zeigen, dass das Verfahren funktioniert. Derzeit sind Amann und sein Team auf der Suche nach Industriepartnern, mit denen sie die ionischen Flüssigkeiten noch optimieren wollen. „Eine Herausforderung besteht darin, dass bei der Bewegung der Welle Wärme entsteht, die das Wasser verdampfen lässt. Wir wollen jetzt Mischungen von ionischen Flüssigkeiten finden, die dem Verdampfen entgegenwirken“, so Amann.

Effizientere Elektromotoren

Das mit Ionen versetzte Wasser ist nicht nur umweltfreundlicher als Öl, sondern trägt auch dazu bei, Gleitlager noch effizienter zu machen. Amann: „Die Welle gleitet leichter, wenn sie mit Wasser benetzt ist. Deshalb ist der Energieverbrauch im Betrieb geringer, als beim deutlich viskoseren Öl.“ Die Korrosion wird durch das elektrische Feld vermieden, das verhindert, dass der Sauerstoff aus dem Wasser mit eisenhaltigen Stählen reagiert und zum Rosten bringt.

Zusätzlich wurde ein neues Messgerät konzipiert – ein sogenanntes In situ-Tribometer – mit dem sich während des Betriebes direkt am Gleitlager der Verschleiß des Metalls und der Reibwert messen und überwachen lassen. Bislang lässt sich der Verschleiß eines Lagers nur dann messen, wenn man dieses auseinanderbaut und die Oberflächen anschließend begutachtet und vermisst. „Mit unserem neuen Tribometer aber wird jetzt eine In-situ-Messung möglich, die nicht nur die Entwicklung geeigneter Schmierstoffe auf Wasserbasis erleichtert, sondern auch eine kontinuierliche Überwachung von Lagern ermöglicht“, so Amann. (wag)

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