Intelligentes Prüfsystem für Kunststoff-Metall-Verbindungen

Ein Prüfsystem der TU Kaiserslautern erkennt Verschleißphasen an Kunststoff-Metall-Verbindungen automatisch – und analysiert die Daten direkt.

Um Materialkombinationen wie Kunststoff-Metall-Verbindungen mit einem besseren Reibungsverhalten zu entwickeln, braucht es tribologische Prüfsysteme für die Analyse von Reibung, Verschleiß und Schmierung. Am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe bei Professor Alois K. Schlarb an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln die Forscher neuartige Materialen – und untersuchen dabei unter anderem, wie sich die Lebensdauer unter Einwirkung von Reibung und Verschleiß erhöhen lässt.

Zum Einsatz kommen dazu verschiedene Prüfmaschinen wie das Stift-Scheibe-Tribometer, auch Pin-on-disc genannt. Dabei wird eine kleine rechteckige Probe (Stift) in eine Halterung gespannt. Darüber wird eine Metallscheibe eingesetzt, die direkt auf der Probe aufliegt. In diesem Prüfstand kann sich die Scheibe mehrere Stunden drehen. An dem Gerät gibt es Sensoren, die die Anpress- und Reibungskraft messen, ein Infrarotsensor erfasst zudem die Temperatur.

„Dabei geben wir die Geschwindigkeit mittels eines Motors und die Anpresskraft der Scheibe mittels Luftdruck vor, auch die Temperatur lässt sich regeln“, sagt Doktorand Sebastian Kamerling. „Mit dieser Technik stellen wir unterschiedliche Bedingungen nach, denen Bauteile im laufenden Betrieb ausgesetzt sind“, so der Ingenieur weiter. „Die Messewerte helfen uns, zu sehen, wie sich die Materialpaarung verhält. Darunter verstehen wir die Kombination aus einem Grundkörper aus Kunststoff mit einem Gegenkörper aus Metall, also ein Kunststoff-Metall-System.“

Für diese Prüfung haben die Kaiserslauterer Ingenieure nun ein intelligentes, automatisiertes System entwickelt. „Es steuert zum einen die Maschine“, fährt Kamerling fort. „Dabei erkennt es, wann eine konstante Phase erreicht wird, das heißt, wann die für die Praxis relevante Verschleißphase beginnt und die eigentliche Messung anfangen kann.“ Bislang war dazu eine manuelle Steuerung nötig. Auch ist die Technik in der Lage, automatisch ein neues Lastniveau einzustellen. Hinzu kommt, dass das System die anfallenden Daten direkt auswertet. „Wir können mit unserer Methode wesentlich mehr Daten in kürzerer Zeit messen und analysieren“, so der Forscher weiter. „Dies hilft uns beispielsweise auch, die Eigenschaften der Materialprobe viel präziser zu charakterisieren.“

Das Verfahren des Lehrstuhls für Verbundwerkstoffe ist nicht nur für die Forschung, sondern auch für die Industrie interessant, da solche Prüftechniken in vielen Unternehmen eine Rolle spielen, um den Materialverschleiß zu ermitteln. Die Technologie kann dabei helfen, diese Arbeit schneller und effizienter ablaufen zu lassen. Der Versuchsaufwand wird mit der neuen Methode deutlich reduziert. Aber auch Material- und Kostenaufwand lassen sich auf diese Weise verringern.

Kunststoff-Metall-Hybride sind derzeit ein großes Thema in der Branche. 2E Mechatronic setzt dafür beispielsweise Rundteller-Spritzgießmaschinen ein – und verkürzt den Spritzgießprozess damit um 40 bis 50 %.

Faserverbund-Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen stehen auch im Fokus des Forschungsprojekts „Hypro – Ganzheitliche Umsetzung hybrider Bauweisen in die Serienproduktion“, das Brose Fahrzeugteile koordiniert. Daran beteiligt ist unter anderem das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden.

sk