Prüfstand, Bild: Dr. Tillwich Werner Stehr
Auf dem von Dr. Tillwich Werner Stehr entwickelten Prüfstand wurden Sintergleitlager mit flüssigkristallbasiertem Schmierstoff erfolgreich getestet. Bild: Dr. Tillwich Werner Stehr

Reibung und Verschleiß sind bei vielen Maschinen Hauptursache für schlechte Maschineneffizienz. Mit flüssigkristallbasierten Schmierstoffen könnte die Energieeffizienz tribologisch beanspruchter Bauteile deutlich verbessert werden. Experten gehen davon aus, dass es möglich ist, die Reibungsverluste um etwa 20 Prozent zu reduzieren.

Genaugenommen gibt es keine Flüssigkristalle, sondern nur Substanzen, die flüssigkristalline Strukturen bilden können. In Untersuchungen beim Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg wurde bestätigt, dass Mesogene, so werden die flüssigkristallbasierten Substanzen auch bezeichnet, im Vergleich zu konventionellen Schmierstoffen mit ähnlicher Viskosität einen verblüffend niedrigen Reibungskoeffizienten haben. In diesem Fall wurden die Flüssigkristalle vom Unternehmen Nematel synthetisiert und von der Firma Dr. Tillwich Werner Stehr zu einem Schmierstoff weiterentwickelt.

Flüssigkristalline Phasen entstehen durch die Vorzugsorientierung organischer Moleküle in einer Flüssigkeit. Auch wichtige tribologische Eigenschaften, wie zum Beispiel die Viskosität, sind richtungsabhängig. Im Schmierspalt werden die Moleküle durch die Scherbewegung so ausgerichtet, dass sie die geringste Kraft der Bewegung entgegensetzen. So stellt sich in der Reibungsrichtung eine minimale Viskosität ein.

Am IWM wurde das tribologische Verhalten eines Flüssigkristallschmierstoffes im Mischreibungsbereich getestet. Als Prüfgeometrie wählten die Forscher Zylinder beziehungsweise Scheiben. In den Untersuchungen wurde das Reibungsverhalten eines Motoröls mit einer Viskosität von 93 Quadratmillimeter pro Sekunde im Vergleich mit unterschiedlichen Abmischungen und dem Flüssigkristall (Viskosität 52 Quadratmillimeter pro Sekunde) alleine ermittelt. Ab einem Mengenanteil von 60 Prozent Flüssigkristall im Motoröl ist ein signifikanter Einfluss zu erkennen.

Diagramm zum Reibungsverlauf, Bild: IWM, Freiburg
Reibungsverlauf in Abhängigkeit der Prüfzeit bei verschiedenen Vermischungen, SRV III –Test bei 90°C, Zylinder/Scheibe, 100 Cr6, Ra 0,06 µm: Im Diagramm ist ab einem Mengenanteil von 60 Prozent Flüssigkristall im Motoröl ein signifikanter Einfluss zu erkennen. Bild: IWM, Freiburg

Das mit Abstand beste Ergebnis brachte der flüssigkristallbasierte Schmierstoff allein ohne Zugabe anderer Schmierstoffe. Es wurde ein Reibwert von etwa 0,005 erreicht und das bei Einmalschmierung mit 25 Mikroliter pro Versuch.

Laut Dr. Tobias Amann vom IWM sind die Schmierstoffe damit zunächst nur für Anwendungen mit kleinem Bedarf und relativ niedrigen Pressungen von etwa zehn bis 15 Megapascal interessant, zum Beispiel Gleitlager für Mikrobauteile oder in der Feinmechanik. Denn die Synthese der mesogenen Schmierstoffe ist teuer.

Die Versuche beim Unternehmen Dr. Tillwich Werner Stehr haben gezeigt, dass auch bei Sinterlagern, im Vergleich mit einem traditionellen Schmierstoff, eine deutliche Verbesserung erreicht wird. In diesem Fall reicht eine kleine Schmierstoffmenge für die Langzeitschmierung aus.

Tribologische Vorteile flüssigkristall-basierter Schmierstoffe

  • Reduzierung der Haftreibung und somit besseres Anlaufverhalten als klassische Schmierstoffe
  • Geringere Verschleißgefahr im Grenz- und Mischreibungsbereich durch schnellen Aufbau eines tragenden Schmierfilms
  • Niedrige Reibung, auch im sehr hohen Drehzahlbereich

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