2012_05_Vortrag_SKZ Neuigkeitenkolloquium

PolyCeram
ULTRA-LEICHTLAUF-GLEITLAGER
MIT POLYMER-KERAMIK
VERBUNDWERKSTOFFEN
2012-05-10
Dr. Krishna Uibel, Dipl.-Ing. Armin Kayser
ESK Ceramics
Dipl.-Ing. Christoph Kugler, Dipl.-Phys. Thomas Hochrein
SKZ – Das Kunststoff-Zentrum
FIRMENPROFIL ESK CERAMICS GMBH & CO KG
• Hersteller von:
- Bauteilen aus Hochleistungskeramik
- Keramischen Pulvern (Boride, Carbide, Nitride)
- Nickel-Dispersionsschichten
• Weltmarktführer SiC Lager + Dichtungen (EKasic® )
• Gegründet: 1922
• 100-prozentige Tochter der Ceradyne, Inc.
Costa Mesa, Kalifornien
• 2 Standorte in Europa (Kempten) und China (Tianjin)
• Ca. 700 Beschäftigte
• Ca. 120 Mio. EUR Umsatz (2011)
MOTIVATION ULTRALEICHTLAUFLAGER
Ersatz von 20 Millionen veralteter Heizungs- und Industrieumwälzpumpen in Deutschland
Einsparung Stromproduktion von 2 Atomkraftwerken mittlerer Leistung
Quelle: Studie der Deutschen Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (DENEFF), Wuppertaker Intstitut; co2online gemeinnützige GmbH
EU-Richtlinie zur Gestaltung energierelevanter Produkte (ErP):
Norm zur Internationalen Effizienz (IE) (seit Juni 2011):
strikte Anforderungen an Energieeffizienz von Pumpen
Technologien zur Energieeinsparung bei Pumpen:
- effiziente Motoren, Frequenzumformer zur Drehzahlregelung
- wirkungsgradoptimierte Hydraulik
- Ultra-Leichtlauflager
LAGERWERKSTOFFE FÜR UMWÄLZPUMPEN
Rot: Standards Industrie Umwälzpumpen
Anforderungen:
Leistung +
Kosten
SiC
- 140°C Wasser
- Lebendsdauer > 10 Jahre
Al2O3
- p > 0,5 MPa (5 bar)
WC
SiSiC
- v > 2 m/s (50 Hz)
- µ < 0,01
Stand der Technik:
µ = 0,05
Graphit
Tribo-Polymere mit funktionalen Füllstoffen
POLYMER-WERKSTOFFE
VORTEILE KERAMISCHER FÜLLSTOFFE (SIC)
WLF> 120 W/m*K
Verfügbarkeit als Submikron-Qualität (Notwendig für Verschleißminimierung)
Gute Anbindung mit Polymermatrix
POLYMER-MATRIX-VERBUNDWERKSTOFF
Thermoplast-Matrix für net-shape Spritzguss
Erzielung höchster Oberflächenhärten durch Auswahl geeigneter SiC-Füllstoffe
Kombination mit konventionellen Triboadditiven (Graphit, C-Fasern, PTFE,....)
Reduzierung von Reibung und Verschleiß durch Optimierung der Systembedingungen
Werkstoffspezifische Hydrodynamische Optimierung
COMPOUNDIEREN DER MATERIALIEN
Dosierung
Strangdüse
Gleichlauf-Doppelschneckenextruder
Strangabsaugung
Granulator
Wasserbad
Thermoplast-Matrix: PEI, PPS, LCP, PEEK, ....
Submikron SiC-Füllstoffe (ESK Ceramics) bis 20 Gew-%
Kombination mit konventionellen Tribo-Additiven
=> Granulat zur Weiterverarbeitung zu Bauteilen im Spritzgießverfahren
GFT-Seminar 2011_Ultraleichtlauflager
ESK Ceramics, Armin Kayser
DYNAMISCH-MECHANISCHE ANALYSE (DMA)
3-Punkt Biegung
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ESK Ceramics, Armin Kayser
•
Definierter Temperaturverlauf
•
•
Definierte Belastungsfrequenz (1Hz)
•
Ermittlung des komplexen Moduls und daraus
des Speicher- und Verlustmoduls
•
Der Speichermodul gibt den elastischen Anteil
und der Verlustmodul den viskosen Anteil der
Deformation wieder
•
Beide Anteile zeigen eine starke Abhängigkeit
von der Molekülkettenlänge und geben
Rückschluss auf eventuellen Abbau der Ketten
Messung von Kraft- und Wegamplitude und
deren Phasenverschiebung
ANWENDUNGSNAHER GLEITLAGERPRÜFSTAND
FÜR ULTRA-LEICHLAUFLAGER (RING-ON-RING)
Gegenring Al2O3 od. SiC-Keramik (poliert)
• Eigenbau ESK Ceramics GmbH
• 50°C in Wasser
• 500-6000 U/min (Nennwert 3000 U/min)
• Flächenpressung p = 0,5 MPa
• v=1,9 m/s
• Auflösung Reibwert bis µ= 0,001
• Standardabweichung 20 Messungen µ= 0,001
• Auflösung Verschleiß bis 1 µm/h
• Messwertaufnahme Zeitaufgelöst Online
Gleitring Polymer/SiC Compound
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ESK Ceramics, Armin Kayser
Aufbau entspricht Axiallagersystem
einer marktüblichen Pumpe
BEISPIEL REIBWERT+ VERSCHLEISSMESSUNG
MIT GLEITLAGERPRÜFSTAND
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ESK Ceramics, Armin Kayser
WEITERE MESSUNGEN
Hydrolysemessungen:
Nachweis Beständigkeit in Wasser/Glycol bis 140°C
• Druckgefäß mit Auslagerung über 1000 h
• Mass- und Gewichtsänderungen (Ausschlusskriterium Delta > 1%)
• Wiederholung der Tribologischen Messungen nach Auslagerung
• DMA Test auf Polymerabbau
Mechanische Kennwerte:
Mechanische Eignung, Einfluss der Füllstoffe
• E-Modul: DIN EN ISO 527-1
• Druckmodul: DIN EN ISO 604
• Schlagzähigkeit Charpy: DIN EN ISO 179-1 eU (edgewise, unnotched)
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ESK Ceramics, Armin Kayser
EINFLUSS SiC FÜLLSTOFFGEHALT (RING-ON-RING
MESSUNG)
MATRIX POLYETHERIMID (PEI ULTEM)
VERGLEICH VON REIBWERTEN IM GLEITLAGERTEST
C 36 = Best in Test
Projektziel < 0,01
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ESK Ceramics, Armin Kayser
VERGLEICH VON REIBWERT + VERSCHLEISS
IM GLEITLAGERTEST
Kein Wertebalken Verschleiß nicht mehr messbar
C 36 = Best in Test
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ESK Ceramics, Armin Kayser
VERSUCH LEBENDAUERTEST GEGEN
Al2O3 GELÄPPT (RA < 0,2 µM)
C 36 = Best in Test
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ESK Ceramics, Armin Kayser
EINFLUSS SiC FÜLLSTOFFE AUF MECHANISCHE
EIGENSCHAFTEN
Keine relevante Einbußen bei
Mechanischen Eigenschaften
Bei 5-20 Gew-% SiC Zugabe
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ESK Ceramics, Armin Kayser
HYDROLYSETEST 140°C/1000 H IN WASSER
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ESK Ceramics, Armin Kayser
DMA TEST NACH 140°C/1000 H IN WASSER
POLYMER/SiC COMPOUND 36
Kein relevanter Polymer-Abbau
messbar
Ergebnis korreliert
mit Wiederholung Tribostest
Unveränderte Tribologie
VERGLEICH GRAFITLAGER VS. POLYMER/SiC LAGER
GLEITLAGERPRÜFSTAND (WASSER 50°C GEGEN Al 2O3)
ABHÄNGIGKEIT REIBWERT VON GLEITGESCHWINDIGKEIT
(FREQUENZGEREGELTER PUMPENANTRIEB)
Netzfrequenz
SIX SIGMA-STATISTIK VON LAGERN AUS
POLYMER/SiC COMPOUND 36
TECHNISCHE NUTZUNG
Polymermatrix-Werkstoffe mit angepassten SiC Füllstoffen
Tribologische Hochleistungswerkstoffe
Substitution etablierter Werkstoffe wird möglich (Grafit, Al2O3, Bronzen)
Realisierte Anwendung:
Axiallager in Heisswasserumwälzpumpe
Übertragung:
Radiallager, Dichtungen in Heisswasserumwälzpumpen
Mit Matrixanpassung z.B. auf PEEK (Temperatur + chemische Beständigkeit)
Motor/Getriebetechnik:
Anlauflager (Ölgeschmiert)
E-Motoren:
Anlauflager, Radiallager
LITERATUR
[1] T. Hochrein, Hochleistungspolymere erobern immer weitere Anwendungsgebiete, Neue Materialien, Verfahren und
Produkte in Bayern (2006).
[2] T. Hochrein, Das Potential neuer modifizierter Hochleistungspolymere, Forum of the Materialica, München 10/2006.
[3] R. Prehn, F. Haupert, K. Friedrich, Polymere Hochleistungsgleitlagerwerkstoffe für den Einsatz in Pumpen für aggressive
und abrasive Medien, M. Schlimmer (Hrsg.): Vortragstexte des 15. Symposiums Verbundwerkstoffe und
Werkstoffverbunde, 6.-8. April 2005, Kassel, ISBN 3-88355-340-9, S. 205-210.
[4] Q. Wang, Q. Xue, W. Liu, W. Sen, Tribological Properties of Micron Silicon Carbide Filled Poly(ether ether ketone), J. Appl.
Polym. Sci. 74, 2611- 2615 (1999).
[5] R. Prehn, F. Haupert, K. Friedrich, Sliding wear performance of polymer Compoundes under abrasive and water lubricated
conditions for pump applications, Wear 259, 693-696 (2005).
[6] Q.-J. Xue, Q.-H. Wang, Wear mechanisms of polyetheretherketone Compoundes filled with various kinds of SiC, Wear 213,
54-58 (1997).
[7] D. M. Bigg, Mechanical Properties of Particulate Filles Polymers, Polym. Comp. 8, 115-122 (1987).
[8] K. Friedrich, „Tribology of Polymeric NanoCompoundes“, Elsevier Verlag, ISBN 978-0-444-53155-1 (2008).
[9] F. Haupert, Nanoparticle filled Polymers: Manufacturing, Structure, Properties, SKZ-Fachtagung Nano-Technologie bei
Kunststoff-Werkstoffen, 11./12.02.2004, Würzburg.
[10] F. Haupert, N. Knör, A. K. Schlarb, Combinative Twin-Screw-Extrusion Processing to Create Innovative Nanoparticle
Reinforced thermoplastic Materials, 6. DPI Workshop, Combinatorial and High-Throughput Approaches in Polymer
Science, 10.-11.09.2007, Darmstadt.
[11] N. Knörr, F. Haupert, A. K. Schlarb, Zum besseren geändert – Prozessoptimierte Herstellung von thermoplastischen
Nanoverbundwerkstoffen, Plastverarbeiter 06, 66-67 (2007).
GFT-Seminar 2011_Ultraleichtlauflager
ESK Ceramics, Armin Kayser
DANKSAGUNG
Das KF2624601 wurde über die AiF im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms
Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines
Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Vom Start ZIM Projekt zum Produkt-Launch:
< 24 Monate
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!