Selbstschmierende Compounds: Wie man Reibung und Verschleiß mit dem Tribometer misst

Wie die tribologische Charakterisierung hilft, selbstschmierende Kunststoffe zu vergleichen und das am besten für die realen Einsatzbedingungen geeignete Compound auszuwählen.

Wenn zwei Komponenten in Kontakt stehen und einer Relativbewegung ausgesetzt sind, werden Reibung und Verschleiß zu entscheidenden Parametern bei der Materialwahl.

Die Reduzierung dieser Phänomene bedeutet eine Verbesserung der Systemeffizienz, eine Begrenzung des Verschleißes über die Zeit und in vielen Anwendungen die Reduzierung oder den Verzicht auf externe Schmiermittel.

Genau um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelt LATI LATILUB, die Familie der selbstschmierenden thermoplastischen Compounds für Anwendungen, bei denen Gleitverhalten, Kontakt und Lebensdauer der Komponente entscheidende Anforderungen darstellen.

Die Wahl des Materials mit dem niedrigsten Reibungskoeffizienten allein reicht jedoch nicht aus. Das tribologische Verhalten hängt vom Gesamtsystem ab: Material, Gegenkörper, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Geometrie und Art der Bewegung.

Aus diesem Grund stellt die Charakterisierung mittels Tribometer ein wichtiges Instrument bei der Entwicklung und Auswahl selbstschmierender Compounds dar.

Selbstschmierende thermoplastische Compounds: Was sie sind und wie sie funktionieren

Bei selbstschmierenden thermoplastischen Compounds handelt es sich um Materialien, bei denen spezifische funktionelle Additive in der Polymermatrix dispergiert werden, um die durch die Relativbewegung zwischen zwei oder mehr Oberflächen entstehende Reibung und den Verschleiß zu kontrollieren.

Das LATILUB Sortiment umfasst Formulierungen, die unter Verwendung verschiedener selbstschmierender Systeme entwickelt wurden, ausgewählt nach den geforderten Leistungen und den Betriebsbedingungen der Anwendung.

Zu den verwendeten Lösungen gehören zum Beispiel:

• Graphit, Molybdändisulfid und Silikonöl zur Beeinflussung des Reibungsverhaltens;
• Aramidfasern zur Unterstützung der Verschleißkontrolle;
• Kohlenstofffasern und keramische Füllstoffe zur Erhöhung des PV-Limits;
• Formulierungen auf PTFE-Basis
• alternative PFAS-free Lösungen.

Die Wahl der Formulierung hängt daher vom zu lösenden tribologischen Problem und den Bedingungen ab, unter denen die Komponente tatsächlich betrieben wird.

Mit anderen Worten: Es gibt kein universell bestes selbstschmierendes Compound; es gibt eine Formulierung, die für ein spezifisches tribologisches System mehr oder weniger geeignet ist.

Vorteile selbstschmierender Compounds in bewegten Anwendungen

Einer der Hauptvorteile selbstschmierender Compounds ist die Möglichkeit, ohne externe Schmierung durch Öle oder Fette zu arbeiten, sofern die Anwendungsbedingungen dies zulassen.

Dies kann dazu beitragen:

• den Wartungsaufwand zu reduzieren;
• Systeme sauberer zu halten;
• die Ansammlung von Staub und Verunreinigungen zu begrenzen, die mit herkömmlichen Schmiermitteln verbunden ist.

Zu diesen Vorteilen kommen die typischen Vorzüge thermoplastischer Materialien hinzu:

• Möglichkeit zur Realisierung komplexer Geometrien durch Spritzguss;
• Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil;
• Gewichtsreduzierung im Vergleich zu vielen Metalllösungen;
• Möglichkeit zur Herstellung von Komponenten für technisch anspruchsvolle Umgebungen;
• Kontrolle von Reibung, Verschleiß und Geräuschentwicklung in bewegten Anwendungen.

Selbstschmierende Materialien finden daher Anwendung in Komponenten wie Zahnrädern, Buchsen, Lagerschalen, Gleitflächen, Linearführungen, Nocken, Bolzen, Automatisierungssystemen, Pumpen und Ventilen sowie in Paarungen zwischen Kunststoff- und Metallteilen.

Reibungskoeffizient und Verschleiß: Warum ein einzelner Wert nicht ausreicht

In der Tribologie ist eine der ersten betrachteten Größen oft der Reibungskoeffizient.

Die einfache Frage „Wie hoch ist der Reibungskoeffizient dieses Materials?“ reicht jedoch selten aus, um das Verhalten in einer realen Komponente vorherzusagen.

Die tribologische Leistung hängt nämlich von zahlreichen Parametern ab, darunter:

• Betriebstemperatur;
• Druck oder aufgebrachte Last;
• Relativgeschwindigkeit;
• Kontaktgeometrie;
• Oberflächenbeschaffenheit;
• Material des Gegenkörpers;
• Umgebungsbedingungen;
• Dauer und Art der Bewegung.

Auch Reibung und Verschleiß sind, obwohl eng miteinander verknüpft, unterschiedliche Phänomene.

Ein Material mit einem besonders niedrigen Reibungskoeffizienten ist nicht zwangsläufig dasjenige, das unter den gleichen Bedingungen auch den geringsten Verschleiß aufweist.

Aus diesem Grund empfiehlt LATI, Reibungskoeffizienten und Verschleißfaktoren vor allem zum Vergleich verschiedener Materialien unter denselben Testbedingungen zu verwenden und sie nicht automatisch als absolute Konstruktionswerte zu betrachten.

Hier nimmt die experimentelle Charakterisierung eine zentrale Rolle ein.

Tribometer: Wie Reibung und Verschleiß von Kunststoffen gemessen werden

Das Tribometer ist ein Instrument zur Charakterisierung des tribologischen Verhaltens von Materialien und Materialpaarungen unter kontrollierten Kontakt- und Bewegungsbedingungen.

Durch definierte Tests lassen sich Phänomene wie Reibung und Verschleiß untersuchen, verschiedene Formulierungen vergleichen und analysieren, wie sich das Materialverhalten bei Änderung der Parameter des tribologischen Systems verändert.

Der Wert einer tribologischen Prüfung ergibt sich gerade aus der Möglichkeit, die Testbedingungen zu kontrollieren.

Last, Geschwindigkeit, Temperatur, zurückgelegte Wegstrecke, Kontaktgeometrie, Material des Gegenkörpers und Oberflächeneigenschaften müssen sorgfältig definiert werden, damit die Ergebnisse für die zu untersuchende Anwendung aussagekräftig sind.

Je besser die realen Betriebsbedingungen bekannt sind, desto eher lässt sich eine Prüfung aufbauen, die nützliche Hinweise für die Materialauswahl liefert.

Rotative und lineare tribologische Prüfungen: Was sich ändert

Die Charakterisierungsmöglichkeiten des von LATI eingesetzten Tribometers wurden kürzlich durch die Einführung eines neuen Linearmoduls erweitert.

Das System ermöglicht es, die durch Rotationsbewegung gekennzeichneten Prüfungen durch Tests mit oszillierender Linearbewegung (Reciprocating) zu ergänzen.

Bei der oszillierenden Bewegung durchläuft der Kontakt wiederholt eine bestimmte Spur, wobei die Bewegungsrichtung periodisch umgekehrt wird.

Diese Konfiguration erlaubt es, andere kinematische Bedingungen als die kontinuierliche Rotation darzustellen und Anwendungen genauer zu untersuchen, bei denen Komponenten durch Vor- und Rückwärtsbewegungen arbeiten.

Die Verfügbarkeit beider Konfigurationen erweitert somit die Bedingungen, unter denen LATILUB Compounds charakterisiert werden können.

Das Ziel ist nicht einfach das Sammeln einer größeren Datenmenge, sondern die Gewinnung von Informationen, die für das reale tribologische System repräsentativer sind.

Um die Bedeutung dieser Entwicklung aus Sicht der Materialentwicklung zu vertiefen, sprechen wir mit Annacarla Cereti, Product Development Technician bei LATI.

Tribologische Tests an LATILUB: Fünf Fragen an das LATI Labor

Anna, fangen wir mit den Grundlagen an: Was ist ein Tribometer und was lässt es uns über das Verhalten eines selbstschmierenden Kunststoffs verstehen?

Ein Tribometer ist ein Laborinstrument zur Messung von Reibung und Verschleiß zwischen zwei Oberflächen, die in Kontakt stehen und sich relativ zueinander bewegen. Im Fall eines selbstschmierenden Kunststoffs lässt sich damit verstehen, wie leicht das Material auf einer anderen Oberfläche gleitet, wie stark es verschleißt und wie effektiv seine Fähigkeit ist, Reibung ohne externe Schmiermittel zu reduzieren.

Wie wird eine tribologische Prüfung aufgebaut und welches sind die Variablen, die das Ergebnis am stärksten beeinflussen können?

Bei LATI verwenden wir ein Tribometer in Pin-on-Disc-Konfiguration, bei dem ein Stahlstift mit einer bestimmten Last gegen eine Kunststoffscheibe gedrückt wird, die mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit rotiert. Das System misst den Reibungskoeffizienten und ermöglicht die Quantifizierung des Verschleißes nach einer bestimmten Wegstrecke. Die Faktoren, die den Test beeinflussen, sind somit die aufgebrachte Last, die Rotationsgeschwindigkeit, die Temperatur, die Oberflächenrauheit und die Dauer des Tests.

Kürzlich wurde unser Tribometer mit einem neuen Linearmodul ausgestattet. Was ermöglicht dieses im Vergleich zur vorherigen Konfiguration?

In der klassischen Pin-on-Disc-Konfiguration ist die Bewegung der Scheibe rotativ, und der Stift hinterlässt eine kreisförmige Spur, die während des Tests immer in derselben Richtung durchlaufen wird. Das Linearmodul ermöglicht es, diese Rotation in eine oszillierende Linearbewegung umzuwandeln, bei der die hinterlassene Spur eine Linie ist, die vor und zurück durchlaufen wird.

 

Inwiefern erweitert die Möglichkeit, Tests mit oszillierender Bewegung durchzuführen, die Charakterisierung der LATILUB Materialien?

Da die tribologische Leistung eines Materials nicht allein vom Material abhängt, sondern vom gesamten System, in dem es eingesetzt wird, ermöglicht die Durchführung von Tests in verschiedenen Konfigurationen die Untersuchung unterschiedlicher Systeme und liefert mehr Informationen über das mögliche Verhalten des Materials.

Vom Labor zum realen Bauteil: Wie können diese Tests Konstrukteuren, Spritzgießern und Entwicklern bei der Auswahl des am besten geeigneten Compounds helfen?

Die im Labor ermittelten Werte können nicht direkt als Konstruktionsdaten verwendet werden, sondern dienen vielmehr dem Vergleich verschiedener Materialien, die unter ähnlichen Bedingungen getestet wurden. Die Charakterisierung kann je nach Kundenanwendung mit dem Rotations- oder dem Linearmodul erfolgen; ideal wäre es jedoch, eine Test-Situation (Kontaktart, Lasten, Geschwindigkeiten, Geometrie, …) zu schaffen, die dem realen System so nahe wie möglich kommt.

Vom tribologischen Test zur Compound-Auswahl

Bei einem tribologischen Problem reicht es selten aus, einfach das Material mit dem niedrigsten Reibungskoeffizienten zu wählen.

Gleichzeitig müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Reibung;
• Verschleiß;
• Kontaktbedingungen;
• Art der Bewegung;
• Geschwindigkeit;
• Druck oder Last;
• Temperatur;
• Material des Gegenkörpers;
• Einsatzumgebung;
• strukturelle Anforderungen und erwartete Lebensdauer der Komponente.

Die Formulierung des Compounds stellt somit den Ausgangspunkt dar. Die experimentelle Charakterisierung ermöglicht es hingegen, das Verhalten zu verstehen, verschiedene Lösungen zu vergleichen und die vielversprechendsten für die betrachteten Anwendungsbedingungen zu identifizieren.

Mit der Einführung des Linearmoduls erweitert LATI seine Analysekapazitäten weiter, indem die rotativen Prüfungen durch oszillierende Tests ergänzt werden. Dies erhöht die Möglichkeiten, LATILUB Materialien in Szenarien zu untersuchen, die näher an den realen Anwendungsanforderungen liegen.

Das Labor wird somit nicht nur zu einem Instrument zur Überprüfung von Materialeigenschaften, sondern zu einer konkreten Unterstützung bei der Konstruktion und der Compound-Auswahl.

Haben Sie eine Anwendung mit Reibungs- oder Verschleißproblemen? Art der Bewegung, Geschwindigkeit, Last oder Kontaktdruck, Temperatur, Gegenkörper, Umgebungsbedingungen und Leistungsziele sind grundlegende Informationen, um die Materialauswahl und deren Charakterisierung korrekt aufzusetzen. Kontaktieren Sie das LATI Team, um die Auswahl und Charakterisierung der LATILUB Compounds für Ihre Anwendung zu vertiefen.

FAQ

Was ist ein selbstschmierendes Compound?

Ein selbstschmierendes Compound ist ein thermoplastisches Material, das mit funktionellen Additiven formuliert wurde, um Reibung und Verschleiß in Anwendungen mit Relativbewegung zwischen Oberflächen zu kontrollieren und in bestimmten Fällen den Bedarf an externen Schmiermitteln zu reduzieren oder zu eliminieren.

Wie wird der Reibungskoeffizient eines Kunststoffs gemessen?

Der Reibungskoeffizient kann durch tribologische Prüfungen ermittelt werden, die unter kontrollierten Bedingungen hinsichtlich Last, Geschwindigkeit, Temperatur, Kontaktgeometrie und Material des Gegenkörpers durchgeführt werden. Das Ergebnis muss immer im Verhältnis zu den spezifischen Testbedingungen interpretiert werden.

Was ist der Unterschied zwischen Reibung und Verschleiß?

Reibung beschreibt den Widerstand gegen die Relativbewegung zwischen zwei Oberflächen, während Verschleiß die fortschreitende Verschlechterung oder den Materialverlust durch Kontakt betrifft. Ein niedriger Reibungskoeffizient bedeutet nicht zwangsläufig einen geringen Verschleiß.

Wozu dient ein Tribometer?

Ein Tribometer ermöglicht die Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Oberflächen, die einer Relativbewegung ausgesetzt sind, und den Vergleich des Verhaltens verschiedener Materialien unter definierten tribologischen Bedingungen.

Welche Informationen werden benötigt, um einen selbstschmierenden Kunststoff auszuwählen?

Es ist wichtig, mindestens die Art der Bewegung, Geschwindigkeit, Last oder Kontaktdruck, Temperatur, Material des Gegenkörpers, Umgebungsbedingungen, Bauteilgeometrie und geforderte Lebensdauer zu kennen.