Gerät für die Schmierfilm-Forschung, Bild: ke-next/do

Untersuchung an der Universität Stuttgart: Das sogenannte Ellipsometer bestimmt die Schmierfilm-Dicke auf Hydraulikstangen. Das Gerät misst optisch und damit zerstörungsfrei. Bild: ke-next/do

Am 14. Juni 2016 ging es im VDMA-Gebäude in Frankfurt am Main um Forschung und Forschungsgelder. Denn dort präsentierten die Mitarbeiter verschiedener Universitäten nicht nur den aktuellen Stand ihrer Projekte, sondern es wurden auch neue Ideen vorgestellt, für die sich die Professoren Unterstützung aus der Industrie erhoffen. Dies geschieht im Rahmen des Forschungsfonds Fluidtechnik, der sich der vorwettbewerblichen Forschung widmet und dem rund 60 Unternehmen angehören. Die Ergebnisse sind durchaus einen Blick wert, wie drei Beispiele exemplarisch zeigen.

Ventil aus dem 3D-Drucker

Jan Hepke beim Vortrag, Bild: ke-next/do
Für Pneumatikventile kann für bestimmte Größen das 3D-Siebdruckverfahren wirtschaftlich sinnvoll sein, erklärte Jan Hepke von der TU Dresden. Bild: ke-next/do

Bei Pneumatikventilen muss es in der Produktion schnell gehen und günstig sollen die Komponenten auch sein. Das funktioniert mit Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Spritzgießen und Umformen aber nur bis zu einer bestimmten Nennweite. Für sehr kleine Ventile mit Nennweiten von unter 0,1 Millimeter gibt es dann spezielle Fertigungsverfahren wie siliziumbasierte Batch-Prozesse und Lithografieprozesse. Diese Mikrofertigungsverfahren eigenen sich wiederum aber nur für zweidimensionale Strukturen mit geringer Höhe.

Mit keinem dieser Verfahren seien die metallischen Bauteile für Schaltventile mit Nennweiten zwischen 0,3 bis 0,5 Millimeter wirtschaftlich produzierbar, erklärt Jan Hepke vom Institut für Fluidtechnik (IFD) an der TU Dresden. Für die benötigten Strukturgrößen und Toleranzen dieser Ventile bestehe eine Lücke bei den Herstellungsverfahren, die der angestrebten Miniaturisierung von Schaltventilen entgegensteht. Gemeinsam mit dem Fraunhofer IFAM Dresden will der Arbeitskreis am IFD herausfinden, ob der 3D-Siebdruck hierfür die Lösung sein könnte.

Dieses Ziel wollen die Forscher in vier Schritten erreichen:

  1. Anforderungen und Randbedingungen für die siebgedruckten Ventile festlegen, beispielsweise Nennweite, Maximaldruck, Toleranzen und mögliche Materialien
  2. Geeignete Ventil- und Magnetbauformen entwickeln, die sich drucken lassen; erste Probeausdrucke und Sinterversuche der erfolgversprechendsten Versionen
  3. Aus dem Grundkonzept ein pneumatisches Schaltventil entwickeln, dimensionieren und mit Simulationswerkzeugen auslegen. Sieb-Design für weitere Bauteile wie Spulen, Federanker und Fluidkanäle erstellen und charakterisieren.
  4. Labormuster des gedruckten Schaltventils aufbauen und experimentell analysieren, einschätzen des Aufwands und Einsetzbarkeit des Verfahrens.

Das Projekt soll bis Ende des Jahres 2016 abgeschlossen sein und tatsächlich sind schon viele Punkte in allen Arbeitspaketen abgehakt. Für die zweite Jahreshälfte haben sich die Forscher nun vorgenommen, den Elektromagneten und die Fluidstufe genauer unter die Lupe zu nehmen. Der Fokus liegt auf der Herstellung und auf messtechnischen Untersuchungen.

Ein objektiver Blick aufs Öl

Tobias Corneli, Bild: ke-next/do
Die Gleitlänge könnte als Kennzeichen für Hydrauliköle dienen, stellte Tobias Corneli auf der Veranstaltung fest. Bild: ke-next/do

Tobias Corneli vom Institut für Fluidsystemtechnik an der TU Darmstadt stellte ein Projekt vor, das viele Hydrauliker interessieren dürfte. Die Forscher suchen an dem Institut nach einer physikalischen Größe, um Tribosysteme praxisgerecht zu beschreiben. Aktuell werde dazu meistens die kinematische Viskosität des Basisöls herangezogen, erklärte Corneli bei der Veranstaltung in Frankfurt. Allerdings würden sich in Bauteilprüfungen, beispielsweise an Schrägscheibenpumpen, bei Ölen, die laut Spezifikation gleich sind, gänzlich unterschiedliche Ergebnisse zeigen. Die bestehende Spezifizierung sei also nicht ausreichend.

Grund ist, dass die kinematische Viskosität das Verhalten des Öls im freien Strömungsraum beschreibt. Reibung und Verschleiß sind aber Grenzflächenphänomene. Ein passenderes Kennzeichen für Hydrauliköle könnte die Gleitlänge sein. Um diese physikalische Größe zur Beschreibung zu etablieren, untersucht der Arbeitskreis systematisch den Einfluss verschiedener Basisöle, Additive und Additivpakete auf die Gleitlänge.

Um die Gleitlänge zu prüfen, verwenden die Forscher ein sogenanntes Gleitlängentribometer, das in einem anderen Forschungsprojekt entwickelt wurde. Da die Temperatur einen großen Einfluss auf die Ergebnisse hat, werden die Versuche in einer Temperaturprüfkammer durchgeführt, zunächst bei 40 Grad Celsius, dann bei 20 bis 80 Grad Celsius.

Bislang haben die Forscher erste Messungen mit einem Polyalphaolefin bei 40 Grad Celsius durchgeführt. Dabei gelang es ihnen, die Gleitlänge mit einer Genauigkeit von ±30 Nanometer zu erfassen. Nun stehen zunächst die Messungen für den Bereich von 20 bis 80 Grad Celsius an. Aufbauend darauf wollen die Forscher dann zunächst die Variation des Grundöls angehen.