Invloed van texturen op wrijving

Wanneer twee oppervlakken over elkaar bewegen, ontstaat er wrijving. De kracht en slijtage worden onder meer beïnvloed door de ruwheid van deze oppervlakken. Vanwege de grote verscheidenheid in wrijvingscondities en de complexiteit van het probleem is dit een uitdagend onderzoeksgebied. Nieuwe technologieën, zoals texturering met een femtosecondelaser, laten toe om kleine structuren in het oppervlak aan te brengen en zo het wrijvingsgedrag te beïnvloeden.

Het controleren van wrijving in industriële toepassingen is een opportuniteit. Denk maar aan energieverlies of een verkorte levensduurte ten gevolge van wrijving of problemen om voldoende grip te creëren. Daarom zijn oppervlaktetextureringen om wrijving en slijtage onder controle te houden het onderwerp van tal van studies geweest, over de laatste decennia. Ondanks de interesse blijft het een uitdaging om de onderliggende oorzaken van de effecten van oppervlaktetexturering onder bepaalde contact- en smeringscondities te begrijpen.

Onderzoek aan het Department of Mechanical Engineering van Imperial College London wees uit dat onder bepaalde wrijvingscondities structuren verticaal op de bewegingsrichting een verlaging van de wrijvingskracht tot gevolg hadden.

Het effect van oppervlaktetexturen op wrijving werd experimenteel onderzocht voor een convergent-divergent-lager dat operationeel was onder verschillende smeringsregimes. Getextureerde patronen, bestaande uit holtes van variërende vormen en oriëntaties, werden beoordeeld op hun vermogen om wrijvingsverliezen te reduceren. De testen werden uitgevoerd met een aantal smeermiddelen met verschillende viscositeit en normale belasting. De resultaten werden vergeleken met deze van een glad referentieoppervlak en toonden dat een wrijvingsreductie tot 62% mogelijk was. 

Ook bij Sirris wordt er onderzoek gedaan naar deze effecten. Onlangs werd er gedemonstreerd dat met een bepaalde textuur de snelheid van een glijlager met 20% verhoogd kan worden. Nu wordt er een bredere studie opgezet met de steun van de stuurgroep van het COOCK project SURFACESCRIPT.

Bij het optimaliseren van een proces zijn er vaak meerdere parameters die kunnen worden ingesteld. Hoe gaat u te werk om de juiste instellingen te vinden? Welke waarden wilt u allemaal proberen en hoeveel testen kunt u doen? En wat met de vraag ‘hoe wordt het resultaat beïnvloed als je aan twee knoppen tegelijkertijd draait?’ In de zoektocht naar een oppervlaktemodificatie die de wrijving kan verlagen, leert de literatuur ons dat verschillende aspecten van belang kunnen zijn. Welke vorm van structuren gaat u in het oppervlak aanbrengen? Hoe groot en diep zullen deze structuren zijn, en ten slotte, hoeveel van het oppervlak gaat u zo behandelen? Deze zijn de vier factoren (inputs). De gemeten wrijvingskracht is de response (output). In volgend experiment wordt gezocht naar de textuur die de laagste wrijvingskracht geeft. Voor elke factor worden twee tot drie waarden gekozen, in overeenstemming met wat reeds in de literatuur beschikbaar is. In dit geval worden de microstructuren op de volgende manier gekozen:

– Ronde gaatjes of lange lijntjes (1 mm)
– Een breedte van 20 µm of 80 µm
– Een diepte van 10 µm of 50 µm
– Een oppervlaktebedekking van deze structuren van 5, 15, 50%.

De getextureerde assen worden gemonteerd in een bus die zich in een oliebad bevond. Aangedreven door een vallend gewicht (200 g – 1 kg) zal de as roteren. De snelheid vanuit stilstand tot wanneer een constante rotatiesnelheid is bekomen, zal gemeten worden via sensoren die inkepingen op het achterliggende vliegwiel monitoren. Eenmaal de metingen verricht, laat de DOE techniek (design of experiments) toe om de invloeden van de verschillende factoren (effecten) te kwantificeren. Een wiskundig model laat toe om de optimale spot of trend te vinden binnen de parametervariaties die zijn uitgeprobeerd. De resultaten zullen in een latere blog gepubliceerd worden. 

Heeft u zelf een case rond wrijving in uw bedrijf of wilt u meer weten over ons onderzoek of onze activiteiten? Neem contact op met Olivier Malek en Eddy Kunnen bij Sirris!