KeraBear

Entwicklung und Qualifizierung einer ressourceneffizienten Gleitlagertechnologie für mediengeschmierte Systeme in Pumpen – KeraBear –

Forschungsvorhaben im Rahmen der Bekanntmachung des Ministeriums für Finanzen und Wirtschaft Baden- Württemberg über die Förderung von wirtschaftsnahen Forschungsprojekten im Themenfeld INNOVATIVE ROHSTOFFNUTZUNG vom 9. April 2018

Ziel des Vorhabens KaeraBearist die Entwicklung und Qualifizierung einer ressourceneffizienten Gleitlagertechnologie für mediengeschmierte Systeme in Pumpen. Zukünftig schwieriger beschaffbare Konstruktionswerkstoffe sollen durch leichter verfügbare und dabei umweltfreundlichere ersetzt werden.

Projektpartner

• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Dr. Andreas Kailer, Tel.: 0761 5142-247, kai@iwm.fhg.de, www.iwm.fhg.de
• Universität Stuttgart, Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB), apl. Prof. Dr. rer. nat. Andreas Killinger, Tel.: 0711 685-68230, andreas.killinger@ifkb.uni-stuttgart.de, www.ifkb.uni-stuttgart.de
• Hochschule Furtwangen, Kompetenzzentrum für Spanende Fertigung, KSF, Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang, Tel.: 07720 307-4215, aza@hs-furtwangen.de
• Assoziierte Partner
  • obz innovation gmbh
  • Voith Turbo, Voith Hydro GmbH & Co. KG
  • HERMETIC-Pumpen GmbH
  • ELBE Schleiftechnik GmbH

Förderung

Kurzbericht zum Projekt

Projektziele

In den Bereichen Chemie- und Anlagentechnik (Kraftwerke, Industrie, Gebäude) werden verbreitet Pumpen eingesetzt, in denen die nur durch die geförderten Medien geschmierte Gleitlagerungen und Gleitringdichtungen eingesetzt werden. In diesem Anwendungsbereich wird insbesondere auch bei großen Lagerkomponenten nach Lösungen gesucht, die standardmäßig Wolfram-, Nickel- und Cobalt-haltigen Hartmetallkomponenten und -schichten zu ersetzen. Einige dieser Rohstoffe sind zwischenzeitlich nur noch begrenzt verfügbar (W, Co) oder werden als gesundheitsbedenklich eingestuft (Ni).

Das Hauptziel des Projekts bestand in der Entwicklung und Qualifizierung eines innovativen Gleitlagersystems für mediengeschmierte Anwendungen. Dieses sollte die heute üblichen Lagerwerkstoffe Wolfram, Nickel- und Cobalt (WC-Co, WC-CoCr, WC-Ni) ersetzen können.

Die technischen Teilziele umfassten Entwicklungsaufgaben in den Bereichen Hochgeschwindigkeits-Suspensionsflammspritzen (HVSFS), Bearbeitungstechnologien für Lagerkomponenten mit Keramikbeschichtungen und die einsatznahe Qualifizierung in Bauteilversuchen. Über die technischen Ziele hinaus sollte auch die Zusammenarbeit der drei Forschungsinstitute IFKB, KSF und IWM längerfristig gestärkt werden. Gerade die Einzelkompetenzen der Projektpartner im Bereich der Beschichtungstechnologie, Bearbeitungstechnologie und der tribologischen Bauteilqualifizierung ergänzen sich optimal und stärken somit den Forschungsstandort Baden-Württemberg.

Grundlage der geplanten Arbeiten war die Weiterführung der erfolgreichen Schichtentwicklung und tribologische Qualifizierung mischphasiger Schichtsysteme für Pumpenanwendungen. Diese sind im Hinblick auf mediengeschmierte Gleitlageranwendungen weiter zu optimieren. Die Ansätze sind im Abschlussbericht zum Projekteingehend beschrieben.

Projektstruktur

Die Projektstruktur und Projektschwerpunkte sind in Abb. 1 dargestellt. Im Rahmen einer Systemoptimierung wurden Beschichtungen und Bearbeitungstechnologien für die keramikbeschichteten Lagersysteme angepasst. Um eine anwendungsnahe Bewertung prototypischer Komponenten zu ermöglichen, wurden im Bereich „Anwendungsnahe Bewertung“ verschiedene Prüfverfahren eingesetzt, um im Rahmen des Projekts einen Nachweis der wesentlich verbesserten Leistungsfähigkeit und Robustheit der keramikbeschichteten Lager zu erbringen.

Bewertung der Projektergebnisse

Es konnten sehr gute Schichten für alle drei Materialsysteme entwickelt und ein reproduzierbarer und sicherer Prozess etabliert werden. Die gemittelte Rautiefe und der Mittenrauwert aller drei Schichten ist mit <25μm und <3μm in einem sehr guten Bereich und selbst gegenüber etablierten Prozessen wie dem HVOF absolut konkurrenzfähig. Durch die sehr geringen Standardabweichungen bietet das Suspensionsspritzen außerdem die Möglichkeit, präzise auf Endkontur zu beschichten. In folgender Abbildung sind die beschichteten Demonstratorbuchsen gezeigt.

Einschätzung zur wirtschaftlichen Nutzbarkeit der Projekterkenntnisse

Die wirtschaftliche Einschätzung erfolgte zum Ende des Projekts in einer offenen Diskussion mit den Industriebegleitern des Projekts. Die wichtigsten Aspekte sind im Folgenden dargestellt.Einsatzbereiche der keramikbeschichteten Lager könnten zunächst Anwendungen, in denen Hartmetalle chemisch nicht ausreichend stabil sind.Die Wirtschaftlichkeit der Prozesse wäre für Serienteile zu optimieren. In Anbetracht der vergleichsweise hohen Kosten für die Referenzteile mit Hartmetallbeschichtungen und SiC-Grafit-Komposite erscheint es gut möglich, wirtschaftlich konkurrenzfähige Komponenten mit Keramikbeschichtungen zu realisieren.Eine Überführung in den Markt ist aufwendig, weil eine extreme Vielfalt von Prüfungen zur durchlaufen ist, um eine Entwicklung für verschiedene Anwendungen „freizuprüfen. Eine Umstellung auf keramikbeschichtete Komponenten wird somit viel Zeit erfordern und mit Anwendungen beginnen, bei denen man gezwungen ist, neue Lösungen zu finden.Nachhaltigkeit könnte solch ein Anreiz sein. Firmen müssen ab 2023 berichten, was sie an Ressourcen und CO₂-Emissionen verbrauchen. ISO 14001 enthält bereits eine abgespeckte Version zur Umweltbewertung.Fazit: Ergebnisse zur Beschichtung sind wirklich sehr interessant. Letztendlich können auf dem Niveau eines Technologiereifegrads von TRL 6 noch keine Nachweise für die generelle Einsetzbarkeit oder auch spezielle Einsatzgebiete erbracht werden. Dazu braucht es weitere Evaluierungsserien bei Herstellern und Betreibern von Pumpen, um schließlich TRL9 zu erreichen.

Planung zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft

Die Projektpartner IFKB, KSF und IWM haben jeweils konkrete Planungen zum Ergebnistransfer. Diese umfassen:

Danksagung

Die geförderten Partner bedanken sich herzlich beim Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg für die finanzielle Unterstützung und interessierte Betreuung des Projekts. Ein ganz herzliches Dankeschön auch an die Vertreter der Firmen aus dem Projektbegleitkreis für die intensive Begleitung und Unterstützung des Projekts.