Schlangenmuster schützt Stahl vor Reibung

07.08.2015 - Deutschland

„Reibung und Verschleiß sind zwei der größten Herausforderungen in Systemen, in denen Einzelteile aufeinander treffen“, sagt Christian Greiner vom Institut für Angewandte Materialien. Eine Lösungsmöglichkeit kommt aus der Natur: Schlangen oder Echsen nutzen zwar Reibung um sich fortzubewegen, können diese aber dank ihrer Schuppen auf das Nötigste reduzieren. Zusammen mit Michael Schäfer hat Greiner ein Verfahren entwickelt, mit dem er die schuppige Struktur der Reptilien auf Bauteile elektromechanischer Systeme übertragen kann: Mit einem Faserlaser haben sie Schuppen auf einen Stahlbolzen gefräst.

Ob der Abstand zwischen den Schuppen das Reibungsverhalten beeinflusst, haben die beiden Materialwissenschaftler mit zwei unterschiedlichen Anordnungen getestet. In der ersten überschneiden sich die Schuppen und liegen eng aneinander. Bei der zweiten Struktur sind die Schuppen in vertikalen Reihen mit größerem Abstand angelegt.

Jede Schuppe ist fünf Mikrometer hoch und hat eine seitliche Abmessung von 50 Mikrometer (10^-6 Meter). Das entspricht etwa dem Durchmesser eines Haares.

Um zu untersuchen, ob die Schuppen Reibung verringern können, haben Greiner und Schäfer die bearbeitete Oberfläche der Bolzen auf eine sich drehende Platte angebracht. Die Versuche fanden einmal ohne und einmal mit Schmiermittel statt. Bei den Experimenten im geölten Zustand nutzten die Wissenschaftler Werkstahlscheiben, im nicht-geölten Zustand Saphirscheiben.

Die Versuche im geölten Zustand zeigten, dass sowohl die enge als auch die weite Anordnung der Schuppen die Reibung im Vergleich zum unbehandelten Bolzen erhöht: Die weiten Schuppen um den Faktor 1.6, die engen sogar um den Faktor 3. Im nicht-geölten Zustand dagegen konnten die Schuppen, die mit einem Abstand zueinander eingelasert waren, die Reibung um mehr als 40 Prozent reduzieren, die eng aneinanderliegenden um 22 Prozent.

Dass die enge Schuppenstruktur sowohl im geölten als auch im nicht-geölten Zustand größere Reibung erzeugt, war für die Forscher unerwartet: „Wir sind davon ausgegangen, dass die enge Anordnung effektiver ist, weil sie genauso in der Natur vorkommt“, sagt Greiner. Dabei konnten sie ausschließen, dass die geringere Reibung aufgrund der Veränderung der Oberfläche durch den Laser zustande kam: „Auf und zwischen den Schuppen war das Material weicher als das unbehandelte. Nur die Ränder, die der Laser eingefräst hat waren gehärtet und diese hatten keinen Kontakt mit der Drehplatte. So konnten wir darauf schließen, dass die Schuppen die Reibung abdämpfen“, so Greiner.