Projekt 34284/01

Innovative, leichte und verschleißfreie Bremssysteme mit signifikant reduzierten Partikelemissionen für den klassischen Automobil- und zukünftigen E-Mobil-Sektor

Projektdurchführung

DTS GmbH - Diamond Tooling Systems
Hans-Geiger-Str. 11 a
67661 Kaiserslautern

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Verkehrswesen hat einen sehr hohen Anteil am Verbrauch von Primärenergieressourcen sowie am Ausstoß kritischer Emissionen. Folglich sind Energieeinsparung und Emissionsreduzierung von großer Bedeutung für eine nachhaltige Mobilität. Mit maßgeschneiderten Leichtbaulösungen lassen sich Synergien erreichen, die beide Problemfelder bedienen. Im Fokus des Vorhabens standen Leichtmetallbremsscheiben aus hochverstärkten Aluminium-Verbundwerkstoffen (AMC) und deren Endbearbeitung für den Großserieneinsatz in Fahrzeugen.
Ziel des beantragten Vorhabens war es, während der AMC-Bremsscheibenendbearbeitung mit Hilfe eines Smart-Tools eine Vorkonditionierung in Form eines artifiziell aufgebrachten Tribofilms auf der AMC-Oberfläche zu generieren, der einen stabilen stationären Zustands des Tribosystems zur Folge hat.




Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Entwicklung eines geeigneten Tribofilmsystems für AMC-Bremsscheiben wurden in aufeinander aufbauenden und rückkoppelnden Arbeiten der Projektpartner Tribokomposite auf AMC-Werkstoffe angepasst und unter Laborbedingungen auf vorkonditionierten AMC-Bremsscheiben artifizielle Tribofilme erzeugt und evaluiert. Das Projekt war in drei, von jeweils einem Projektpartner geleitete Arbeitsbereiche unterteilt: (1) Werkzeugumsetzung Smart-Tool, (2) Entwicklung von Materialien zur Oberflächen-konditionierung, (3) Konditionierende Tribofilmerzeugung. In Arbeitsbereich 1 wurde ein Bearbeitungsprozess zur Vorkonditionierung der AMC-Oberfläche für den Bremseinsatz entwickelt. Arbeitsbereich 2 umfasste die Bereitstellung von Materialien, die zum Aufbau von konditionierenden Tribofilmen auf AMC-Bremsscheiben geeignet sind, sowie die analytische Charakterisierung dieser Tribofilme. In Arbeitsbereich 3 lag der Fokus auf der Erzeugung und Charakterisierung von konditionierten Bremsflächen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den Reibpartnern und tribologischen Parametern. Die geeigneten Materialsysteme wurden im Labor und auf Bremsprüfständen getestet.


Ergebnisse und Diskussion

In der Werkzeugumsetzung Smart-Tool (1) erfolgte die konzeptionelle Ausarbeitung eines geeigneten Smart-Tool-Designs. In detaillierten Untersuchungen wurden Erkenntnisse zum Einfluss von Bearbeitungsparametern und Werkzeugdesign auf die Herstellung unterschiedlicher Oberflächenstrukturen und den damit einhergehenden Eigenschaften gewonnen. In zahlreichen Versuchen wurden sowohl die Maschinenkenngrößen als auch die Auslegung des Werkzeugs variiert und der Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit analysiert. Auf Basis der erzielten Erkenntnisse wurde das erste Smart-Tool zur beidseitigen Endbearbeitung von AMC-Bremsscheibenprototypen erfolgreich konstruiert und gefertigt.

In der Entwicklung von Materialien zur Oberflächenkonditionierung (2) wurden hochgefüllte Polymerkomposite entwickelt, die zur Erzeugung von primären Tribofilmen bei der Endbearbeitung von AMC-Bremsscheiben geeignet sind. Die Arbeiten umfassten sehr umfangreiche Versuchsreihen zur Ermittlung passender Additivsysteme in Kombination mit Trägerpolymeren, die zur Herstellung von homogen hochgefüllten Compounds (Komposite) einsetzbar sind. Ferner sollten diese Komposite sowohl bei der Bearbeitung von Bremsscheiben auf dem Reibprüfstand als auch mit dem Smart-Tool einen primären Tribofilm aufbauen. Im Rahmen dieser Forschungstätigkeiten wurde neben der Materialentwicklung auch das Verfahren zur Herstellung der Komposite und deren Weiterverarbeitung zu Formkörpern erfolgreich ausgearbeitet. Parallel wurde eine Ablationszelle entwickelt, um ganze Bremsscheiben mit der LA-ICP-MS zerstörungsfrei analysieren und in Folgeversuchen wieder einsetzen zu können. Hierzu wurden Prototypen unterschiedlicher Ablationszellaufbauten konstruiert, gefertigt und orientierende Laserablationsmessungen durchgeführt. Mit dem optimierten, finalen Zelldesign wurde eine Steigerung der Empfindlichkeit um den Faktor fünf im Vergleich zu Standardablationszellen erreicht.

Im Aufgabenfeld Konditionierende Tribofilmerzeugung (3) wurde zielführend an der Herstellung sowie tribologischen und strukturellen Charakterisierung von endbearbeiteten und mit Kompositen konditionierten Reibflächen geforscht. Berücksichtigt wurden dabei die Einflüsse von Oberflächenfeingestalt, Kompositvariationen und Parametern des Tribosystems (Anpressdruck, Relativgeschwindigkeit der Reibpartner, Temperatur und Reibwertentwicklung). Die erzielten Erkenntnisse flossen unmittelbar in die Material- und Werkzeugentwicklung ein und ermöglichten eine gezielte und schnelle Weiterentwicklung.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Projektinhalte sind der Öffentlichkeit aufgrund des patentierfähigen Know-hows bislang noch nicht zugänglich gemacht worden. Sobald das Wissen patentrechtlich geschützt ist, sollen die Erkenntnisse in Form von Publikationen einer breiten Öffentlichkeit bekannt gemacht werden.


Fazit

Die vom Projektteam angestrebten Ziele konnten in allen Tätigkeitsfeldern realisiert und die diversen, sich im Projektverlauf ergebenden Herausforderungen gelöst werden. Das Erreichen der ehrgeizig gesetzten Meilensteine spiegelt die erfolgreiche Bearbeitung dieses inter- und intradisziplinären Projektes wider.