Ein Beitrag zur Charakterisierung und Auslegung des Verbundes von Kunststoffsubstraten mit harten Dünnschichten

A contribution to the characterization and design of the composite of polymer substrates with hard thin layers

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-146067
  • Die tribologischen Anforderungen an Kunststoffbauteile in energieeffizienten Systemen mit optimierter Reibung und Verschleißschutz sind hoch. Durch die geringen Schichtdicken in Kombination mit dem verhältnismäßig weichen Kunststoff als Substratwerkstoff sind zahlreiche etablierte Charakterisierungsverfahren nicht für solche Bauteile geeignet. Basierend auf einer Vorgehensweise zur Festigkeitsauslegung, werden in der vorgestellten Forschungsarbeit speziell zur Charakterisierung harter Dünnschichten auf weichen Substratmaterialien geeignete Prüfmethoden ausgewählt, angepasst und entwickelt. Hierfür wird der Schicht-Elastizitätsmodul mit einem kombinierten Verfahren aus Indentierungen undDie tribologischen Anforderungen an Kunststoffbauteile in energieeffizienten Systemen mit optimierter Reibung und Verschleißschutz sind hoch. Durch die geringen Schichtdicken in Kombination mit dem verhältnismäßig weichen Kunststoff als Substratwerkstoff sind zahlreiche etablierte Charakterisierungsverfahren nicht für solche Bauteile geeignet. Basierend auf einer Vorgehensweise zur Festigkeitsauslegung, werden in der vorgestellten Forschungsarbeit speziell zur Charakterisierung harter Dünnschichten auf weichen Substratmaterialien geeignete Prüfmethoden ausgewählt, angepasst und entwickelt. Hierfür wird der Schicht-Elastizitätsmodul mit einem kombinierten Verfahren aus Indentierungen und numerischen Berechnungen ermittelt. Regressionsmodelle ersetzen für zukünftige Anwendungen die FE-Simulationen und beschleunigen weitere Auswertungen. Ein modifizierter Ritztest erzeugt gezielt mehrachsige Spannungszustände, die mittels FE-Simulationen nachgebildet werden. So werden die mechanischen Grenzen des Schicht-Substrat-Verbundes ermittelt und die Auswirkungen von Parametermodifikationen illustriert. Der Einfluss von dünnen harten Schichten auf die Steifigkeit und die Eigenfrequenzen des gesamten Bauteils wird analytisch und experimentell untersucht. Für das Anwendungsgebiet der beschichteten Wälzlagerkäfige werden die tribologischen und funktionalen Potentiale für harte und tribologisch relevante Schichten aufgezeigt und gängigen Käfigwerkstoffen gegenübergestellt.show moreshow less
  • The tribological requirements are relatively high for plastic components in energy-efficient systems due to the demand of low friction and good wear protection. Numerous established test methods are not suitable for coated plastics because of the very small layer thickness in combination with a comparatively soft polymer as a substrate material. Based on an approach which is generally applicable to coated systems, in this presented work test methods are selected, adapted and developed which are particularly suited for the characterization of thin hard coatings on soft substrates. The Young´s modulus of the coatings is evaluated by a combined method of instrumented indentation test andThe tribological requirements are relatively high for plastic components in energy-efficient systems due to the demand of low friction and good wear protection. Numerous established test methods are not suitable for coated plastics because of the very small layer thickness in combination with a comparatively soft polymer as a substrate material. Based on an approach which is generally applicable to coated systems, in this presented work test methods are selected, adapted and developed which are particularly suited for the characterization of thin hard coatings on soft substrates. The Young´s modulus of the coatings is evaluated by a combined method of instrumented indentation test and numerical calculation. By using regression models instead of further FE-simulations it is possible to speed up the subsequent application of the method. A modified scratch test creates multi-axial stress states which are comprehended by FE-simulations. The mechanical limits of the layer-substrate composite are determined and the effects of parameter modifications are illustrated. The impact of thin hard layers on the stiffness and the natural frequencies of the whole component is analytically examined and experimentally tested. The tribological and functional potential for the application on coated roller bearing cages is demonstrated for hard and tribological relevant coatings and compared with common cage materials.show moreshow less

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Metadaten
Author:Thomas SanderORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-146067
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-331-1
ISBN:978-3-96147-331-1
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (349)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Sandro Wartzack, Eckhard Kirchner
Advisor:Sandro Wartzack
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2020
Date of online publication (Embargo Date):2020/09/28
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2019/12/16
Release Date:2020/09/29
Tag:Indentierung; Kunststoffsubstrate; Mehrachsige Spannungsanalyse; Ritztest; Scratchtest; Tribologische Schichten; beschichtete Wälzlager; elastische Schichteigenschaften
SWD-Keyword:Tribologie; Produktentwicklung; Dünne Schicht; Tragfähigkeit; Elastizitätsmodul; Wälzlager; Härteeindruck; Spannungsanalyse; Leichtbau; Ingenieurwissenschaften; Maschinenbau; Produktionstechnik
Length/size:xiv, 178 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-330-4
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 670 Industrielle Fertigung
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International