Reibung verringert

Forscher des KIT haben ein Verfahren entwickelt, das Stahlbolzen widerstandsfähiger gegen Reibung macht. Dazu lasern sie ein Schlangenmuster auf das jeweilige Bauteil.

24. September 2015

Reibung und Verschleiß sind zwei der größten Herausforderungen in Systemen, in denen Einzelteile aufeinander treffen. Die Forscher Christian Greiner und Michael Schäfer vom Institut für Angewandte Materialien am KIT haben dazu ein neues Verfahren entwickelt. Dabei haben sie sich an Schlangen wie dem Königspython oder Echsen wie dem Sandfisch orientiert.

„Eine Schlange erzeugt nur an den Stellen Reibung, die sie braucht, um sich nach vorne zu bewegen und kann so verhindern, dass sich ihre Schuppen durch zu starke Reibung abnutzen“, erklärt Christian Greiner. „Diese schuppige Struktur der Reptilien haben wir auf Bauteile elektromechanischer Systeme übertragen.“ Dazu werden die Schuppen mit einem Faserlaser auf einen Stahlbolzen gefräst, dessen Durchmesser acht Millimeter beträgt. Ziel ist die Lebensdauer technischen Bauteilen genauso wie Hüftprothesen, Computerfestplatten oder Smartphones zu verlängern.

Ob der Abstand zwischen den Schuppen das Reibungsverhalten beeinflusst, haben die beiden Materialwissenschaftler mit zwei unterschiedlichen Anordnungen getestet. In der ersten überschneiden sich die Schuppen und liegen eng aneinander, wie die Bauchschuppen einer Königspython. Bei der zweiten Struktur sind die Schuppen in vertikalen Reihen mit größerem Abstand angelegt, wie es bei der Haut des Sandfisches der Fall ist.

Jede Schuppe ist fünf Mikrometer hoch und hat eine seitliche Abmessung von 50 Mikrometer. Das entspricht etwa dem Durchmesser eines Haares. In der Natur messen die Schuppen einer Schlange etwa 300 bis 600 Nanometer, die des Sandfisches etwa zwei mal drei Millimeter. „Hier sind wir momentan noch etwas vom Original aus der Natur entfernt, nähern uns aber Schritt für Schritt an.“

Um zu untersuchen, ob die Schuppen Reibung verringern können, haben Greiner und Schäfer die bearbeitete Oberfläche der Bolzen auf eine sich drehende Platte angebracht. Die Versuche fanden einmal ohne und einmal mit Schmiermittel statt. Bei den Experimenten im geölten Zustand nutzten die Wissenschaftler Werkstahlscheiben, im nicht-geölten Zustand Saphirscheiben, jeweils mit einem Durchmesser von 50 Millimetern.

Die Versuche im geölten Zustand zeigten, dass sowohl die enge als auch die weite Anordnung der Schuppen die Reibung im Vergleich zum unbehandelten Bolzen erhöht: Die weiten Schuppen um den Faktor 1.6, die engen sogar um den Faktor 3. Im nicht-geölten Zustand dagegen konnten die Schuppen die Reibung um mehr als 40 Prozent reduzieren, die eng aneinander liegenden um 22 Prozent.

Dass die enge Schuppenstruktur sowohl im geölten als auch im nicht-geölten Zustand größere Reibung erzeugt, war für die Forscher unerwartet: „Wir sind davon ausgegangen, dass die enge Anordnung effektiver ist, weil sie genauso in der Natur vorkommt“, sagt Greiner. Dabei konnten sie ausschließen, dass die geringere Reibung aufgrund der Veränderung der Oberfläche durch den Laser zustande kam: „Auf und zwischen den Schuppen war das Material weicher als das unbehandelte. Nur die Ränder, die der Laser eingefräst hat, waren gehärtet und diese hatten keinen Kontakt mit der Drehplatte. So konnten wir darauf schließen, dass die Schuppen die Reibung abdämpfen“, erklärt Greiner.

In den nächsten Schritten wollen die beiden Materialwissenschaftler testen, wie sich das Verhalten der Bolzen bezüglich Reibung verändert, wenn sie die Größen der Schuppen variieren oder ein härteres Material verwenden.