Europäischer Wirtschaftsverband zeichnet Fraunhofer IWS aus

Vergangene Woche erhielt das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS den zweiten Preis der EARTO Innovation Awards 2016 in der Kategorie „Impact Delivered“. Die EARTO – der Europäische Wirtschaftsverband der Forschungs- und Technologie­organisationen – zeichnet damit Forschung- und Entwicklungs­vorhaben aus, die in besonderer Weise wirtschaftlich relevante Ergebnisse geliefert haben. Mit ihren reibwert­mindernden und dadurch den Energie­verbrauch verringernden diamantartigen Kohlen­stoff­schichten konnten die Wissenschaftler um Professor Andreas Leson die Jury überzeugen. Auf Kolbenringe oder andere Bauteile des Antriebs­strangs aufgebracht, gewährleisten diese Schichten eine Reduzierung im Treibstoff­verbrauch um 1,5 % und eine Verringerung der CO₂ Emission um 3 g.

Die Reibwertreduktion ist in besonderem Maße geeignet, den Treibstoff­verbrauch und damit auch den CO₂-Ausstoß zu senken. Untersuchungen zeigten, dass sich durch den konsequenten Einsatz von reibwert­mindernden Beschichtungen weltweit jährlich bis zu 117 Milliarden Liter Treibstoff einsparen lassen, und dadurch bis zu 290 Millionen Tonnen CO₂ weniger in die Atmosphäre abgegeben werden. Wasserstoff-freie Kohlenstoff­schichten (ta-C), in denen die Kohlenstoff­atome überwiegend in tetraedrischer Anordnung gebunden sind, zeichnen sich im Vergleich zu den wasserstoff­haltigen diamantähnlichen Kohlen­stoff­schichten durch besonders große Härte aus. Dies macht sich in einem hohen Verschleiß­schutz insbesondere unter großer Belastung bemerkbar. Darüber hinaus zeigen sie exzellente Eigenschaften im Trockenlauf­verhalten und wirken – abhängig von den Arbeitsbedingungen – reibwertmindernd.

Aufgrund der dringenden Notwendigkeit, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren, sind die ta-C-Schichten von äußerstem Interesse für die Automobilindustrie und deren Zulieferer. Kolbenringe haben bekanntermaßen einen großen Einfluss auf den Treibstoff­verbrauch und damit auch auf die Höhe des CO₂-Ausstoßes. Sie verursachen ca. 25 % der gesamten Reibungs­verluste, was einem Anteil von 6 % am Treibstoff­verbrauch entspricht. Gemein­sam mit Partnern aus dem industriellen Umfeld – namentlich der VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH als Ausrüster für die Vakuum­beschichtungs­branche und der Federal-Mogul Corporation als global tätigem Automobil­zulieferer und führendem Hersteller von Kolben­ringen – führte das Fraunhofer-IWS ein ehrgeiziges Forschungs­vorhaben zur Ausschöpfung des Potentials der ta-C-Schichten bei der Reduzierung des Energie­verbrauchs durch. Der hohe Verschleiß, dem die Kolbenringe ausgesetzt sind, erfordert Schicht­dicken von bis zu 20 µm. Solche Schichten können zurzeit nur mittels eines am Fraunhofer-IWS entwickelten speziellen Laser-Arc-Prozesses abgeschieden werden.

Auf diese Weise ta-C beschichtete Kolbenringe weisen eine mehr als doppelt so hohe Verschleiß­festigkeit auf als die besten bekannten Alternativ­en. Insbesondere die in Verbrennungs­motoren so wichtige Abrieb­festigkeit konnte mit den Schichten um das zehnfache gesteigert werden. Umfangreiche Tests ergaben eine 20 %ige Verringerung der Reibwert­verluste und zeigten einen klaren Vorteil bei der Wirtschaft­lichkeit in Bezug auf den Treibstoffverbrauch (1,5 % Einsparung) und bei der Reduktion der CO₂-Emission (3 % Einsparung).

Ende vergangenen Jahres wurden sieben Laser-Arc-Module mit zugehöriger Ausrüstung im Gesamt­wert von 8,5 Millionen Euro vom IWS und der VDT gebaut und ausgeliefert. Weiter Module sind bereits im Bau, um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden. Federal Mogul begann Ende 2015 mit der Serien­produktion und plant für 2016 einen Produktions­umfang von 3 Millionen ta-C beschichteten Kolbenringen. Eine Durchdringung des Marktes wird in Kürze erwartet, zumal alle großen europäischen Automobil­hersteller die neue Technologie bereits etabliert oder zumindest in ihre Testreihen mit aufgenommen haben.

IWS / LK