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Lagerforschung auf atomarer Ebene

In diesem Artikel werden die vier Forschungs­schwerpunkte von SKF auf dem Gebiet Modellierung vorgestellt: Lagerstahl, Ermüdungsmechanismen, Polymerdesign und Tribologie.

Autor:
Sebastián Echeverri Restrepo, Wissenschaftler, SKF Forschungs- und Entwicklungszentrum (ERC), SKF B.V., Nieuwegein, Niederlande

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Zusammenfassung

In den letzten Jahren hat sich SKF zunehmend mit Simulationsmethoden im atomaren Maßstab wie DFT, MD und DPD beschäftigt, um weiter reichende Kenntnisse über das Verhalten der in ihren Produkten verwendeten Werkstoffe zu erlangen. So ermöglicht SKF auch weiterhin Innovationen und rüstet sich für immer anspruchsvollere technische Herausforderungen.

Man stelle sich vor, man könnte sich so klein machen, dass man ins Innere von Feststoffen vordringen und sich die Struktur der Atome betrachten könnte. So könnte man sehen, wie sie sich gegenseitig beeinflussen, bewegen und reagieren, wenn eine Kraft von außen angelegt wird, oder wie die Außentemperatur ihre Eigenschaften beeinflusst und ihre Struktur ändert. Wäre dies möglich, könnte man die Werkstoffe zur Herstellung von Produkten und Maschinen optimaler aussuchen, verarbeiten und auslegen.

Im SKF Forschungs- und Entwicklungszentrum (ERC) in den Niederlanden verfolgen die Forscher das Ziel, virtuell in die Werkstoffe einzutauchen, aus denen die Produkte von SKF gefertigt werden, um ihr Verhalten besser verstehen zu können. So kann SKF nicht nur gezielter auf Kundenanfragen reagieren, sondern vor allem auch neue Werkstoffe für ihre Produkte entwickeln, die deren Qualität, Haltbarkeit und andere spezielle Eigenschaften verbessern.

Meist reichen die Versuchsmethoden aus, um zu verstehen, wie sich äußere Randbedingungen auf die Werkstoffe, aus denen Produkte hergestellt werden, auswirken können und um präventive und gegensteuernde Lösungen zu finden.

Dennoch ist es selbst mit modernen experimentellen Verfahren nicht immer einfach festzustellen, welchen Einfluss bestimmte Phänomene auf die Werkstoffe haben können. Darüber hinaus ist es in manchen Fällen, wie bei einem neuen Werkstoff oder Produkt, in der Entwurfsphase so, dass eine Beschränkung auf Laborprüfmittel nicht immer zeitsparend oder kostengünstig ist. Aus diesem Grund sind Berechnungsmethoden wichtig.

Bei den mechanischen Komponenten, zu denen auch die Wälzlager zählen, können die meisten Konstruktionsfragen mit großmaßstäblichen Simulationsverfahren wie beispielsweise der weit verbreiteten Finite-Elemente-Methode (FEM) geklärt werden. Allerdings gibt es spezielle Fragestellungen, die die Möglichkeiten dieses Modellierungswerkzeugs überschreiten, so dass alternative mesoskopische und mikroskopische Simulationsverfahren zum Einsatz kommen müssen.

Die SKF Forscher erweitern ständig ihr Wissen über die Verwendung und Weiterentwicklung von Multiskalensimulationsverfahren, um weitreichende Kenntnisse über die Produkte von SKF zu erlangen und Probleme zu lösen, die ihren Ursprung in bestimmten Zeit- und Längenskalen haben könnten. Dies bedeutet, dass es unterschiedliche Werkzeuge gibt – man stelle sich Lupen mit unterschiedlicher Vergrößerung vor –, mit denen spezielle Phänomene, die das Verhalten eines Werkstoffs unter Einsatzbedingungen bestimmen, erforscht werden können. Daher reicht die Bandbreite der bei SKF angewendeten Modelle von quantenmechanischen bis hin zu Kontinuummodellen (Bild 1).

Je tiefer man in den Werkstoff eindringt, desto mehr Rechenleistung und Zeit werden für die Simulationen benötigt. Der hochleistungsfähige Rechnerverbund von SKF mit seinen 1.536 Prozessoren ist solchen Aufgaben gewachsen.

Derzeit gibt es vier Forschungsschwerpunkte, bei denen meso- und mikroskalige Methoden eingesetzt werden.

Stahldesign
Der erste Forschungsschwerpunkt ist Teil des „MultiHy“-Projekts [1]; dies ist die Abkürzung für „Multiscale Modelling of Hydrogen Embrittlement“. Dieses Projekt steht unter der Leitung eines Konsortiums aus verschiedenen europäischen Partnern aus Industrie und Wissenschaft und wird von der EU finanziert. Der Auslöser für dieses Projekt war, dass es zahlreiche experimentelle Belege [2] dafür gibt, dass Wasserstoff die Ermüdungslebensdauer von Lagern und Baustählen verkürzt. Diese Wirkung von Wasserstoff ist in der Technik unter der Bezeichnung „Wasserstoffversprödung“ bekannt. Das Hauptinteresse von SKF an „MultiHy“ liegt vor allem darin, prognostizieren zu können, wie Wasserstoff in die Lagerstähle hinein und durch sie hindurch diffundiert. Darüber hinaus besteht auch ein großes Interesse daran, festzustellen, wie vorhandener Wasserstoff eingeschlossen und immobilisiert werden kann, um zu verhindern, dass sich die Wasserstoffversprödung auf die Lagerlebensdauer auswirkt.

Solche Simulationen der Wasserstoffmobilität und ihrer Auswirkungen auf die Ermüdungslebensdauer ergänzen andere laufende Forschungsarbeiten, die sich mit den verschiedenen Quellen von Wasserstoff beschäftigen, wie beispielsweise feuchte Umgebungen und der eventuelle Schmierstoffzerfall.

Vom atomaren Standpunkt aus gesehen werden Simulationen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt. Dies ist eine rechnergestützte quantenmechanische Modellierungsmethode, die üblicherweise zur Erforschung der Elektronenstruktur von Vielteilchensystemen (Bild 2) benutzt wird. Simulationen werden insbesondere durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften eines neuen experimentellen vanadiumhaltigen Lagerstahls unter Einwirkung von Wasserstoff zu beurteilen (Bild 3). Bei diesem Stahl kann der Wasserstoff eingeschlossen werden, um eine Versprödung zu vermeiden [3]. Die Ergebnisse des MultiHy-Projekts können für die finale Entwicklung dieses neuen Stahls sehr nützlich sein, so dass dieser letztendlich für Anwendungen vorgesehen werden kann, bei denen die Wasserstoffbeständigkeit erforderlich ist.

Ermüdungsmechanismen
Der zweite Forschungsschwerpunkt behandelt die atomare Beschreibung der Mikrostruktur von Lagerstählen und deren Einfluss auf das Werkstoffverhalten im Falle einer Wälzkontaktermüdung.

Bei diesem Projekt wird das Molekulardynamik(MD)-Verfahren angewendet, um zu untersuchen, wie die Atome sich bewegen und gegenseitig beeinflussen, wenn sich ein Riss bildet und im Lagerstahl ausbreitet (Bild 4). Mit einem besseren Verständnis dieses Phänomens wird es möglich sein, die Lebensdauer und Gesamtleistung der SKF Produkte zu erhöhen.

Polymerdesign
Beim dritten Forschungsschwerpunkt geht es um die Untersuchung gefüllter Gummiwerkstoffe, die bei der Herstellung von Dichtungen eingesetzt werden. Dabei ist das übergeordnete Ziel die Feststellung und Quantifizierung der auf verschiedenen Skalen stattfindenden physikalischen Phänomene, die das quasistatische und dynamische Spannungs-Dehnungsverhalten von gefülltem Gummi beeinflussen. Dieses Projekt wird von SKF in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Tsinghua-Universität in China und der Universität Barcelona in Spanien durchgeführt.

Zum Einsatz kommt hierbei die dissipative Partikeldynamik (DPD), ein mesoskaliges Simulationsverfahren zur Analyse der dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Polymeren (Bild 5) auf Skalen, die über die mit dem MD-Verfahren bearbeitbaren Skalen hinausgehen. Das DPD-Verfahren ermöglicht die umfassende Berücksichtigung der Auswirkungen unterschiedlicher Faktoren wie etwa die Wechselwirkung zwischen Füllstoffteilchen und Polymerketten oder die topologischen Veränderungen im Polymernetzwerk beim statischen und dynamischen Verhalten von Dichtungswerkstoffen.

Tribologie
Der letzte Forschungsschwerpunkt betrifft den Schmierkontakt zwischen zwei Oberflächen [4], etwa bei einem Wälzkörper und einer Laufbahn in einem Hybridlager. Auch hierbei setzt man die MD-Methode ein, um eine Erklärung für die grundlegenden Unterschiede bei Reibung und Verschleiß zwischen Stahl/Stahl- und Stahl/Keramik-Oberflächen zu finden und die Leistungsfähigkeit von Hybridlagern zu verbessern. Dabei können auch die chemischen Reaktionen zwischen dem Schmierstoff und den Oberflächen berücksichtigt werden.

Bei der Modellierung hat sich bisher bestätigt, dass es grundlegende Unterschiede zwischen Stahl/Stahl- und Hybridkontakten hinsichtlich Reibung und Verschleiß gibt. Dabei hat sich vor allem gezeigt, dass Hybridkontakte eine geringere Reibung als Stahl/Stahl-Kontakte aufweisen.

Literatur
[1] http://www.multihy.eu.
[2] R. A. Oriani, Annual Review of Materials Science 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter, and P. Rivera-Diaz-del Castillo, Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio, Nanoscale phenomena in lubrication: from atomistic simulations to their integration into continuous models, Ph.D. thesis, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

Bild 1: Längenskalen der verschiedenen bei SKF verwendeten Simulationsverfahren: Dichtefunktionaltheorie (DFT), Molekulardynamik (MD), dissipative Partikeldynamik (DPD) und Finite-Elemente-Methode (FEM) Bild 2: Aufbau von Vanadiumcarbid (VC) einschließlich zweidimensionaler Schnitte durch die Ladungsdichte. Dieses Bild wurde mit der XCrySDen Software erzeugt.Bild 3: Wasserstoffatome an der Grenze zwischen Eisen und einem aus Vanadium und Kohlenstoff bestehenden Niederschlag. Dieses Bild wurde mit der XCrySDen Software erzeugt. Bild 4: Detailaufnahme des vorderen Bereichs eines sich in Eisen fortpflanzenden Risses. Atomare Dehnung wird durch Farben der Atome dargestellt. Das Bild entstand mit der AtomEye Software.Bild 5: Beispielmodell für die Simulation eines Polymers mit der Methode der dissipativen Partikeldynamik (DPD). Die dunkelblauen Partikel stellen den Füllstoff dar und die violetten Partikel die Polymerketten. Dieses Bild wurde mit der Ovito Software erzeugt.

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