Europäischer Wirtschaftsverband zeichnet Fraunhofer IWS aus
Gesteigerte Energieeffizienz durch preisgekrönte Kohlenstoffschichten.
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.
Abb.: ta-C beschichtete Kolbenringe. (Bild: IWS)
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