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FH Münster: Forschung an verschleißbeständige Beschichtungen

In der Industrie ist es üblich, dass Maschinen oft bis zu 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche laufen. Durch Reibung nutzen sich einzelne Bauteile ab, die dann ausgetauscht werden müssen. Ein solcher Austausch kostet Zeit und Geld. Aus diesem Grund wird an verschleißbeständigen Beschichtungen geforscht. Ein Team vom Werkstofflabor um Prof. Dr. Jürgen Peterseim an der FH Münster hat nun einen interessanten Lösungsansatz.

Verschleißbeständige Beschichtungen gibt es schon für viele Einzelteile, jdeoch wenn die Geometrie der Bauteile sehr komplex ist, wird es mit der Beschichtung gegen Verschleiß schwierig. Für Zahnräder oder für Innenseiten von gebogenen Rohren gibt es kaum Beschichtungen. Das Team von der FH Münster will nun ein Verfahren entwickeln, welches dieses Problem löst.

Julian Hasselmann, Maschinenbau-Masterstudent an der Fachhochschule, hat mit seiner Bachelorarbeit eine sehr aussichtsreiche Basis geschaffen, welche eine solche neue Technologie ermöglicht. Laut dem Leiter Peterseim wurden zwei etablierte Verfahren in einer neuen Technologie vereint.

In ihr geht es konkret zunächst um das Feingussverfahren, durch das die Geometrie der zukünftigen Beschichtung abgebildet werden soll. “Vereinfacht gesagt funktioniert sie wie Förmchengießen”, erklärt Hasselmann. “Basierend auf einer CAD-Datei habe ich die spätere Beschichtungsgeometrie per 3D-Druck hergestellt und auf dem Substrat, also dem zu beschichtenden Bauteil, angebracht und mit Zugängen versehen.” Daraufhin umgießt er die Kombination aus Substrat und 3D-Druck mit einer keramischen Formmasse. Diese Form brennt er dann im Ofen. “Zum Schluss stehen Kavitäten, also Hohlräume, für das Beschichtungsmaterial zur Verfügung.”

Danach folgt Schritt zwei, der pulvermetallurgische Verbundguss. Hasselmann lässt feinkörniges Pulver in die produzierte Form rieseln und schmilzt dieses ein. Die Masse füllt die Hohlräume und hinterlässt abgekühlt schlussendlich eine 1 bis 5 Millimeter dicke Beschichtung.

Das linke Modell der Beschichtungsgeometrie hat Julian Hasselmann im 3D-Drucker hergestellt, um es im Anschluss mit seinem entwickelten Verfahren zu realisieren (rechts). (Foto: FH Münster/Theresa Gerks)
Das linke Modell der Beschichtungsgeometrie hat Julian Hasselmann im 3D-Drucker hergestellt, um es im Anschluss mit seinem entwickelten Verfahren zu realisieren (rechts). (Foto: FH Münster/Theresa Gerks)

So weit die Theorie. „In der Praxis brauchen wir eine ganz saubere, stoffschlüssige Verbindung und ein entsprechendes Gefüge, die beschichteten Bauteile sind ja nicht für die Vitrine gedacht“, sagt Hasselmann. Seine hergestellten Beschichtungen analysierte er deshalb genauestens. Er untersuchte die Beschaffenheit der Oberfläche und die Formtreue – sie ist das A und O, beim Erkalten verziehen sich die Formen häufig, das würde die Beschichtung beeinflussen und in ihrer Qualität mindern. Auch die Verteilung der Karbide und die damit verbundenen Eigenschaften sind wichtige Kriterien, denn diese Verbindungen sind sehr hart und sorgen unter anderem für die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung. Dies untersuchte der Student zum Beispiel unterm Lichtmikroskop.

Eine weitere Herausforderung neben den Qualitätsansprüchen ist bei der neuen Technologie auch die Umsetzung. Sie soll leicht und auch wirtschaftlich realisierbar sein. “Je einfacher man den Ablauf gestalten will, desto komplexer wird die Entwicklung”, sagt Tobias Schniedermann, Doktorand im Team. Aber es sieht gut aus. Bislang sind auf dem Weg zum Prototyp noch keine hohen Anlagenkosten nötig, und das Team kann an Atmosphärenluft und somit ohne Vakuum oder Schutzgas arbeiten. Als großes Ziel schwebt über allem die Patentanmeldung. „Damit auch der Metallbauer um die Ecke das Know-how dafür bekommt“, so Peterseim.

Für Hasselmann war seine Bachelorarbeit „genau das Thema, das ich bearbeiten wollte“. Der gelernte Industriemechaniker hatte schon während seiner Ausbildung beim Stahlhersteller ArcelorMittal viel mit Werkstofftechnik zu tun. Für seine Leistung und die vielversprechenden Ergebnisse hat er von der FH Münster einen Hochschulpreis und von der Gesellschaft der Freunde der FH Münster (gdf) den mit 1.500 Euro dotierten Bernard-Rincklake-Preis gewonnen. Damit würdigt die Hochschule die beste Bachelorarbeit eines Jahrgangs.

Der Artikel basiert auf eine Pressemeldung von der FH Münster

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