Ein praktischer Leitfaden für Konstrukteure, die die Lebensdauer von Buchsen, Führungen, Nocken, Zahnrädern und anderen Komponenten mit Relativbewegung erhöhen müssen.

Die Kunststoffkomponente verschleißt zu früh? Wie Sie die Ursache finden

Eine Buchse besteht die ersten Tests, aber nach einigen Wochen nimmt das Spiel zu. Eine Führung beginnt, Partikel zu erzeugen. Ein Zahnrad funktioniert im Prototyp einwandfrei, dann beschleunigt sich der Verschleiß, wenn die Geschwindigkeit steigt. In all diesen Fällen ist die erste Reaktion oft dieselbe: nach einem verschleißfesteren Material zu suchen.

Das Risiko besteht darin, das Material zu wechseln, ohne den Mechanismus identifiziert zu haben, der den Schaden verursacht. In der Tribologie von Polymeren hängt der Verschleiß nämlich nicht von einer einzigen Eigenschaft des Compounds ab. Er ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Material, Gegenfläche, Kontaktdruck, Geschwindigkeit, Temperatur, Härte und Oberflächengüte, Geometrie, Umgebung und Bewegungsart.

Der entscheidende Punkt Bevor Sie sich fragen, welches Material den niedrigsten Verschleißfaktor hat, sollten Sie sich fragen, welcher Verschleißmechanismus in der Anwendung dominiert und unter welchen Bedingungen er auftritt.

Adhäsiver und abrasiver Verschleiß: Das ist nicht dasselbe Problem

Der erste Schritt besteht darin, die Komponente zu beobachten und, soweit möglich, die Art der Schädigung zu unterscheiden. Beim adhäsiven Verschleiß entwickeln die Oberflächen Mikro-Adhäsionen in den tatsächlichen Kontaktzonen; während der Bewegung bilden und brechen sich diese Verbindungen, was den Transfer oder die Entfernung von Material begünstigt. Das Phänomen kann bei Polymer-Polymer-Kontakten relevant sein und allgemein, wenn die Grenzfläche dazu neigt, lokal zu haften.

Der abrasive Verschleiß folgt einer anderen Logik. Eine härtere Oberfläche, eine Verstärkung oder zwischen den beiden Oberflächen eingelagerte Partikel können eine Mikroschneid- oder Furchenwirkung ausüben. Bei faserverstärkten Compounds muss beispielsweise der strukturelle Beitrag der Verstärkung immer zusammen mit der möglichen Auswirkung auf die Gegenfläche bewertet werden.

Eine identische Enderscheinung – Materialverlust – kann daher sehr unterschiedliche Strategien erfordern. Die Härte zu erhöhen, die Adhäsion zu reduzieren, die Rauheit der Gegenfläche zu ändern oder das selbstschmierende System zu modifizieren sind Maßnahmen, die auf unterschiedliche Ursachen abzielen.

Niedrige Reibung bedeutet nicht automatisch geringen Verschleiß

Einer der häufigsten Fehler ist die Verwendung des Reibungskoeffizienten als einziges Auswahlkriterium. Reibung und Verschleiß sind miteinander verbundene Phänomene, aber nicht gleichwertig. Eine Formulierung kann die zum Gleiten erforderliche Kraft deutlich reduzieren und gleichzeitig nicht das beste Verschleißverhalten bieten. Ein anderes Material kann einen etwas höheren Reibungskoeffizienten haben, aber die Integrität der Oberflächen nach einer hohen Anzahl von Zyklen bewahren.

Aus diesem Grund sollte die Auswahl eines Materials mit hohen tribologischen Leistungen immer mindestens zwei unterschiedliche Ziele berücksichtigen: wie sich das System bewegt und wie lange es Abmessungen und Funktion beibehält.

Die Variablen, die Sie erfassen sollten, bevor Sie das Material wechseln

1. Last und Kontaktdruck

Die Nennlast beschreibt nicht unbedingt, was in der Grenzfläche geschieht. Die Geometrie kann die mechanische Beanspruchung auf kleine Bereiche konzentrieren und lokale Druckspitzen erzeugen, die weit über dem Durchschnittswert liegen. Wenn möglich, ist es sinnvoll, den tatsächlichen Druck in der Gleitzone abzuschätzen und eventuelle lokale Spitzen zu identifizieren.

2. Relativgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit beeinflusst das Reibungsregime und die in der Grenzfläche erzeugte Wärmemenge. Ein Material, das bei niedriger Geschwindigkeit gut funktioniert, kann sich anders verhalten, wenn die Geschwindigkeit steigt.

3. Bewegungsart

Kontinuierliche Rotation, Oszillation, lineares Gleiten, Mikrobewegungen und Start-Stopp-Zyklen sind nicht gleichwertig. Die Bildung und der Transfer von Schmierfilmen, die Erwärmung und die Verschleißverteilung hängen auch davon ab, wie sich die Oberflächen zueinander bewegen.

4. Temperatur

Sowohl die Umgebungstemperatur als auch die durch Reibung lokal entstehende Temperatur müssen berücksichtigt werden. Die Temperatur verändert Steifigkeit, Kriechen, Tragfähigkeit und Stabilität der Grenzfläche; die thermische Spitze in der Nähe der Kontaktzone zu ignorieren, kann zu falschen Schlussfolgerungen führen.

5. Gegenfläche und Oberflächengüte

Stahl, Aluminium, Polymer, Elastomer oder Keramik erzeugen unterschiedliche Tribosysteme. Auch innerhalb derselben Metallfamilie können Härte, Behandlung und Rauheit das Verhalten des Systems verändern. Die Oberfläche der Gegenfläche ist daher eine Konstruktionsvariable, nicht nur ein Produktionsdetail.

6. Umgebung

Wasser, Feuchtigkeit, Staub, Reinigungsmittel, Chemikalien und fremde abrasive Partikel können sowohl das Material als auch die Grenzfläche verändern. Eine Komponente, die im Labor funktioniert, kann sich in einer kontaminierten Umgebung oder bei Waschzyklen sehr unterschiedlich verschleißen.

7. Geforderte Lebensdauer

„Geringer Verschleiß“ ist keine Spezifikation. Die Anforderung sollte messbar werden: Anzahl der Zyklen, Betriebsstunden, zurückgelegte Wegstrecke oder Dienstjahre innerhalb einer maximal zulässigen Maßänderung.

Wann ein selbstschmierendes Compound helfen kann

Sobald die Ursache des Problems geklärt ist, kann das Material zu einem sehr wirksamen Hebel werden. In selbstschmierenden Compounds werden Matrix, Verstärkung und Additive kombiniert, um auf das Verhalten der Grenzfläche einzuwirken: Reibung reduzieren, Verschleiß begrenzen, die Stabilität des Gleitens verbessern oder die Fähigkeit der Komponente erhöhen, unter anspruchsvolleren Bedingungen zu arbeiten.

Die LATILUB-Familie umfasst Compounds, die auf verschiedenen thermoplastischen Matrizen und selbstschmierenden Systemen entwickelt wurden. Die Auswahl beginnt nicht beim Namen des Additivs, sondern bei der Gesamtheit der Anforderungen: tribologisch, mechanisch, thermisch, dimensional, chemisch und gegebenenfalls elektrisch oder hinsichtlich der Konformität mit branchenspezifischen Vorschriften.

Vom Prüfkörper zur Komponente: Ein robusterer Validierungsprozess

1. Die Versagensart beschreiben: Oberflächen fotografieren, Partikel, Kratzer, Verformungen und Transferzonen beobachten.
2. Die Betriebssituation definieren: Last, Geschwindigkeit, Temperatur, Bewegung, Umgebung und geforderte Lebensdauer.
3. Eine Liste von Materialien erstellen, die mit allen Anforderungen kompatibel sind, nicht nur mit Reibung und Verschleiß.
4. Vergleichstests mit Bedingungen durchführen, die so repräsentativ wie möglich für die Gegenfläche und die tatsächliche Bewegung sind.
5. Das Material an der Komponente und am Spritzgussprozess validieren, bevor die endgültige Spezifikation festgelegt wird.

Das Ergebnis einer tribologischen Prüfung ist umso nützlicher, je konsistenter der Test mit dem zu lösenden Problem ist. Ein isolierter Wert, der unter sehr unterschiedlichen Bedingungen zur Anwendung ermittelt wurde, kann für einen vorläufigen Vergleich nützlich sein, sollte aber nicht als Garantie für die Lebensdauer interpretiert werden.

Die richtige Frage lautet nicht „Welches ist das beste Material?“

Die nützlichere Frage lautet: Welche Kombination aus Material, Gegenfläche, Oberfläche und Betriebsbedingungen bietet die erforderliche Sicherheitsmarge für diese Anwendung? Dieser Schritt verwandelt die Auswahl des Compounds von einer Katalogwahl in eine ingenieurtechnische Entscheidung.

Haben Sie eine Komponente, die sich vor der vorgesehenen Lebensdauer verschleißt?

Teilen Sie Anwendung, aktuelles Material, Gegenfläche, Last, Geschwindigkeit, Temperatur, Bewegungsart und geforderte Lebensdauer mit. Der LATI Tribology Design Check hilft dabei, die verfügbaren Daten zu organisieren und die Variablen zu identifizieren, die vor der Auswahl der zu testenden Materialien eine technische Bewertung verdienen. Entdecken Sie die selbstschmierenden Kunststoffmaterialien LATILUB