Zur Erfüllung dieser Aufgaben ist eine hohe Verschleißfestigkeit der eingesetzten Gleitlager wichtig. Parallel müssen auch bestimmte Reibwerte, abgestimmt auf die Anwendung, einstellbar sein. Dies ist Motivation für eine stetige Optimierung von tribologisch modifizierten thermoplastischen Compounds, welche zunehmend Einsatz in diesem Bereich finden. Bei hochbelasteten Gleitlagern kommt als Trägerwerkstoff dabei häufig der Hochleistungsthermoplast PEEK zum Einsatz. PEEK bietet von Natur aus bereits gute tribologische Eigenschaften, zudem hohe Temperaturbeständigkeit, nahezu universelle Chemikalienbeständigkeit, gute Festigkeit und Zähigkeit in Verbindung mit einer guten Verarbeitbarkeit. Bei hohen Belastungen, Gleitgeschwindigkeiten und Temperaturen, wie zum Beispiel bei Gleitlagern für Komponenten im Bereich des Kraftfahrzeugmotorraums, ist eine Modifizierung des Polymers aber unerlässlich. Abgestimmt auf das tribologische System – unter Berücksichtigung unter anderem von Gegenlaufpartner, Oberflächen, Medien, Drücken, Bewegungsablauf – werden maßgeschneiderte Werkstoffe entwickelt.

Einsatz von Nanotechnologie

Durch innovative Kombination von Additiven und Verstärkungsstoffen, beispielsweise Trockenschmierstoffe und Kohlenstofffasern, sind zuvor unerreichbare Eigenschaften erzielbar. Dies wird auch durch den Einsatz von Nanotechnologie ermöglicht. Die besonders feinteiligen Komponenten, in Verbindung mit einer abgestimmten Compoundiertechnologie, sorgen für eine außergewöhnliche Leistungsfähigkeit auch in den Randschichten der Gleitlager. Die typische reine Polymerhaut gibt es so deshalb nicht mehr. Auch in diesem Bereich befinden sich nun Funktionsadditive. Dies gilt besonders dann, wenn auf den Festschmierstoff PTFE als Gleitmittel verzichtet wird. Dadurch ist die Einlaufphase von Gleitlagern deutlich reduziert. Ein Freifahren des PTFE entfällt. Dies wird in Diagramm 1 verdeutlicht. Bei den hier dargestellten Luvocom-Werkstoffen handelt es sich um verschiedenartig modifizierte Nano-Compounds auf Basis PEEK. In der Regel bieten solche speziellen Compounds ein lineares Verschleißverhalten ohne signifikantes Einlaufverhalten. Dies gilt, wie dargestellt, im Nasslauf, ist aber auch für den Trockenlauf gültig. Der Hersteller solcher Compounds, Lehmann & Voss, geht bereits seit Jahren dazu über, den Einsatz von PTFE in tribologischen Compounds zu reduzieren, auch deshalb, weil dieser in zunehmendem Maße Beschränkungen unterliegt. Weiterhin steht PTFE einer erhöhten Verschleißfestigkeit oft im Wege, da das Festigkeitsniveau des Compounds reduziert wird. Ebenso verbessert sich meistens die Verarbeitbarkeit der Werkstoffe, wenn auf PTFE verzichtet wird.
Die Vorbewertung von tribologischen Compounds erfolgt durch standardisierte Prüfmethoden, meistens über Kugel-Prisma-, Stift-Scheibe- oder Block-auf-Ring-Verfahren. Über die Wahl der Umgebungstemperatur, der Anpresskraft, der Gleitgeschwindigkeit und des Gegenlaufpartners ist die Simulierung bestimmter Belastungsfälle möglich. Zusätzlich ist die Prüfung in Medien durchführbar. Die Prüfung am Praxisteil, in der realen Anwendung, ist aber in nahezu allen Fällen unerlässlich.
In Diagramm 2 ist das Verschleißverhalten verschiedener Compounds auf Basis von PEEK dargestellt. Abhängig vom Gegenlaufpartner und der Prüfung im trockenen oder nassen (im gezeigten Diagramm in Verbindung mit Wasser) beziehungsweise geschmiertem Zustand, resultiert ein individueller Verschleißwert. Die dargestellten Compounds zeigen durchweg geringe Verschleißwerte. Dabei gibt es aber durchaus Unterschiede, die im Anwendungsfall relevant sein können. So zeigt der Werkstoff 1105-8161 bei St37 einen relativ hohen und bei 100Cr6 einen sehr niedrigen Verschleißwert. Dadurch kommt er eher bei Kombination mit diesem Partner zum Einsatz.

Maßgeschneiderte Lösungen

Durch Abstimmung des Gleitlagerwerkstoffs auf den Gegenlaufpartner sind optimale Werte erzielbar. Die Werkstoffauswahl erfolgt auf Basis von Voruntersuchungen, Berechnungen und Erfahrungen in enger Absprache mit dem Anwender. Die Vielzahl der Anwendungen und Anforderungen bedarf dabei maßgeschneiderter Lösungen. Einen universell geeigneten Werkstoff gibt es leider nicht und wird es aufgrund der unterschiedlichsten Anforderungen auch wohl in absehbarer Zukunft nicht geben. Es gibt aber tribologisch optimierte Compounds, die in diese Richtung gehen, und eine große Bandbreite von Anwendungen abdecken. Hier ist zum Beispiel der dargestellte Werkstoff 1105-8167 zu nennen. Aber auch 1105-8000 und 1105-7678 bieten universelle Einsatzmöglichkeiten. Sie zeigen ein außergewöhnliches tribologisches Leistungsprofil, das bisher bekannte Materialien, auf Basis PEEK und auch anderer Hochleistungsthermoplaste, deutlich übertrifft. So sind hohe pV-Werte (p = Druck, V = Geschwindigkeit) möglich. Erreicht werden Werte bis 24 (p = 12 MPa, V = 2 m/s) bei einer Umgebungstemperatur von 100?°C im Trockenlauf. Bisher sind Werte von 1 bis 10, gemessen bei Raumtemperatur, Standard. Zwar zeigen die neuen Materialien bei diesen hohen Anforderungen einen erhöhten Verschleiß, dieser ist aber dann über mehrere Kilometer Laufstrecke linear.
Diagramm 3 gibt einen Überblick über die Festigkeit und die Fließfähigkeit der besprochenen Compounds. Als Vergleich dient hierbei die klassische Rezeptur: PEEK mit jeweils 10?% Kohlenstofffasern, Graphit und PTFE. Die Werte zeigen, dass die neue Compoundgeneration auch hier Vorteile bietet. Die Leistungsfähigkeit von Gleitlagern wird natürlich auch über die Festigkeit des Werkstoffs und letztendlich des Bauteils beeinflusst. Für die Herstellung von größeren Abmessungen und geringen Wandstärken ist eine gute Fließfähigkeit erforderlich. Durch einen geringeren notwendigen Spritzdruck ist die Verwendung von kleineren Spritzgießmaschinen möglich. Diese Eigenschaften sind ebenfalls über die entsprechenden abgestimmten Modifikationen erreichbar.
Entwicklern und Konstrukteuren steht bereits eine Bandbreite dieser neuen innovativen Compounds zur Verfügung. Je nach Anwendungsfall und Anforderungen des tribologischen Systems werden weitere, meistens maßgeschneiderte Compounds in enger Zusammenarbeit mit dem Anwender entwickelt und hergestellt. Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen sind Neuentwicklungen innerhalb einer kurzen Zeit umsetzbar.
Die Entwicklung weiterer neuer Materialien ist kontinuierlich und wird verstärkt vorangetrieben, um steigenden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Die beschriebene Entwicklung ermöglicht die Substitution von bisherigen traditionellen Werkstoffen in Gleitlagern, wie Metalllegierungen, Fluorkunststoffen, aber auch anderen Kunststoffen, und ermöglicht thermoplastischen Kunststoffcompounds neue Anwendungsbereiche. Konstrukteuren und Designern eröffnen sich neue Gestaltungsmöglichkeiten.

Neue Technologie
Neue Einsatzmöglichkeiten

Besonders verschleißfeste Compounds auf Basis von PEEK bieten neue Einsatzmöglichkeiten für Gleitlager thermoplastischbasierter Werkstoffe. Sie ermöglichen die Substitution von bisher eingesetzten Materialien und kommen dabei, Dank Nanotechnologie, ohne PTFE aus. Die Laufzeiten und Belastungsmöglichkeiten von Gleitlagern erhöhen sich. Eine breite Produktpalette, abgestimmt auf die Anwendung und den Gegenlaufpartner, steht dem Markt bereits zur Verfügung.

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Thomas Collet