TNO’s cryotribometer toont omgevingsinvloed op slijtage
Extreme omstandigheden als vacuüm en hoge of lage temperaturen hebben grote invloed op wrijvingsprocessen en dus op slijtage. TNO ontwikkelde een meetinstrument om dat in detail te onderzoeken.
De ontdekking en het in kaart brengen van ons zonnestelsel is een van de grootste technologische uitdagingen. Dat heeft te maken met de gigantische afstanden die moeten worden overbrugd, maar ook met de extreme omstandigheden die moeten worden getrotseerd. Mensen hebben daar veel meer moeite mee dan machines. Veel van de kosmische onthullingen zijn dan ook gedaan door robots en instrumenten, zoals de Phoenix Mars Lander of de Hubble-telescoop.
Voor mensen blijven er gelukkig genoeg uitdagingen over. Wie anders moet immers al die hedendaagse ontdekkingsreizigers ontwerpen en bouwen, zodanig dat ze tegen alle extremiteiten zijn opgewassen? Op de maan bijvoorbeeld varieert de temperatuur van 107 graden Celsius overdag in de zon tot -153 graden Celsius ‘s nachts. Mars kent een temperatuurschommeling van -140 tot 20 graden Celsius, terwijl het in de ruimte zelf bijna -270 graden Celsius is.
Vanwege dit grote temperatuursgebied beschikken ruimterobots vaak over een regelmechanisme dat de interne temperatuur tussen de -40 en 40 graden Celsius houdt. Omdat de apparaten lange tijd en zonder periodiek onderhoud nauwkeurig en betrouwbaar moeten functioneren, is het van cruciaal belang dat voorafgaand aan de lancering de levensduur van de verschillende componenten bekend is. Vooral de bewegende onderdelen zijn gevoelig voor wrijvingsvariaties en slijtage, en het zijn daarmee vooral deze componenten die de levensduur van de robot bepalen.
Faalmechanisme
Tribologie is de studie die zich bezig houdt met wrijving, slijtage en smering. Alle drie deze factoren, afzonderlijk en in combinatie, zijn van invloed op de levensduur van de robot. Zonder een goed smerende laag tussen twee componenten kan de wrijving niet worden gecontroleerd, waardoor extreme slijtage van het systeem kan optreden. Bovendien kunnen de verschillende effecten elkaar versterken. Door slijtage kunnen oppervlakteruwheid en daarmee wrijving toenemen en daardoor nog meer schade veroorzaken, waardoor het systeem sneller het punt bereikt waar falen intreedt.
Voor een tribologische analyse is het daarom van belang om altijd van het complete systeem uit te gaan, dus van twee bewegende oppervlakken die met elkaar en de omgeving in contact staan. Het type en de mate van slijtage worden bepaald door de materialen en hun oppervlakteruwheid, maar ook door tussenliggende materialen zoals een smerende laag en de operationele en omgevingscondities (zie Figuur 1).
RFID-toegangsbeveiliging nu nog makkelijker
Voor Identification and Access Management (I.A.M.) heeft Pilz het bedrijfsmoduskeuze- en toegangsautorisatiesysteem PITmode. Voor een onderdeel van dit systeem, de PITreader, heeft Pilz een RFID-transponder in kaart- en stickerformaat ontwikkeld. Alle varianten zijn vrij beschrijfbaar en rechten kunnen vastgelegd worden door gebruik te maken van de eenvoudig passende softwaretools.
Slijtage ontstaat meestal door een combinatie van oorzaken, bijvoorbeeld twee oppervlakken waar een normaalkracht op staat (Fn) en die met een bepaalde snelheid (v) langs elkaar bewegen, zoals aangegeven in de eerste schets in Figuur 2. Het gevolg van deze glijdende beweging is schade door wrijving. Een compleet ander proces is de erosie, getoond in de derde schets. Doordat materiaal langs het oppervlak stroomt, botsen er lokaal deeltjes op het oppervlak – met schade tot gevolg. Omdat er zo veel verschillende mechanismen zijn die tot haperingen leiden, is het van belang om die op laboratoriumschaal goed te kunnen onderscheiden en zo het dominante faalmechanisme te isoleren.
Monsters
Om het contact tussen materialen te analyseren en na te bootsen, worden metingen op een tribometer gedaan. Een tribometer bestaat uit een stilstaand onderdeel en een draaiende schijf. Met behulp van een dood gewicht worden de materialen op elkaar gedrukt in overeenstemming met de toepassing. Om een puntcontact te simuleren, kan er bijvoorbeeld worden gekozen voor een kogel. Een andere optie is een vlak-op-vlakcontact met behulp van een pin of andere schijf als tegenloopvlak. De metingen leveren de wrijvingskracht en het slijtagevolume op.
Omdat een ’gewone‘ tribometer tekortschiet bij de nabootsing van de eerder genoemde ruimtevaarttoepassingen, heeft TNO de cryotribometer ontwikkeld (zie Figuur 3). Met dit instrument kunnen experimenten uit worden gevoerd bij zowel extreem lage als hoge temperaturen en tegelijkertijd in vacuüm. De cryotribometer heeft een temperatuurbereik van -150 tot 150 graden Celsius en omdat de draaiende schijf met behulp van een gasstroom verwarmd en gekoeld kan worden, is het ook mogelijk om tijdens een beproeving de temperatuur een cyclus te laten doorlopen.
In Figuur 3 is op de voorgrond de vacuümketel met de verschillende uitstekende doorvoeren te zien. Dankzij deze doorvoeren kunnen diverse analyses worden uitgevoerd. Zo kan er bijvoorbeeld een massaspectrometer worden aangesloten om de tijdens de beproeving vrijkomende deeltjes te identificeren en te kwantificeren. Achter de vacuümketel staat de temperatuurregelaar, die bestaat uit een vloeibaar stikstofvat met een warmtewisselaar en een pomp.
De TNO cryotribometer is breder inzetbaar dan alleen in de ruimtevaart, zoals bij cryo-elektronenmicroscopie. Hierbij worden biologische monsters zeer snel bevroren om de juiste ijsvorm te krijgen. Na preparatie worden de monsters bestudeerd en bewaard bij cryogene temperaturen. Het hanteren van de monsters in een vacuümomgeving en bij cryogene temperatuur vereist kennis van en inzicht in de cryotribologische eigenschappen van materialen.
Levensduurvoorspelling
TNO heeft met de cryotribometer vele wrijvingsmetingen gedaan om de invloed van temperatuur en vacuüm te onderzoeken. Een van de proeven werd gedaan met een polyamide-imide (PAI) schijf en een roestvaststalen kogel waar een normaalkracht van 0,8 newton op is aangebracht. De schijf maakt een reciproque beweging met een snelheid van 141 millimeter per seconde onder verschillende omstandigheden: bij kamertemperatuur onder atmosferische druk (Figuur 4a), bij kamertemperatuur onder vacuüm (Figuur 4b), bij -147 graden Celsius in vacuüm (Figuur 4c) en bij 100 graden Celsius in vacuüm (Figuur 4d). Voor iedere meting zijn nieuw proefstukken gebruikt.
De profielen in Figuur 4 zijn gemaakt met een optische profilometer. De afgebeelde scans geven profielmetingen weer die zijn uitgevoerd dwars op het ontstane slijtagespoor. Omdat de proefstukken afzonderlijk zijn afgedraaid, verschilt de oppervlakteruwheid per proefstuk – dit is voornamelijk van belang voor het inloopgedrag. De vier figuren laten duidelijk zien dat verschillende condities zorgen voor een andere slijtage van de schijf.
Het slijtagegedrag van de schijf en die van de kogel zijn gerelateerd aan de wrijvingscoëfficiënt. Een vergelijking van de verschillende wrijvingscoëfficiënten onder verschillende condities is weergegeven in Figuur 5. De wrijvingscoëfficiënt is te bepalen door de wrijvingskracht te delen door de normaalkracht. De tribometer meet de wrijvingskracht en de normaalkracht van 0,8 N is opgelegd.
In alle patronen is verder duidelijk de reciproque beweging te ontwaren. De verticale lijnen geven het omdraaimoment weer. Hier staat de schijf even stil. Het feit dat de wrijvingscoëfficiënt afwisselend positief en negatief wordt, is het gevolg van de reciproque beweging. De wrijvingscoëfficiënt wordt in werkelijkheid niet negatief; het teken geeft de richting van de beweging aan.
Een aantal verschijnselen valt op in Figuur 5. Ten eerste laat de atmosferische meting een hogere waarde voor de wrijvingscoëfficiënt zien dan de metingen in vacuüm, maar waarom weten we nog niet exact. Ook zien we een verlaging van het wrijvingsniveau als de temperatuur wordt verlaagd. Dit komt doordat de kunststof zich onder invloed van temperatuur stijver gedraagt en de adhesiecomponent door de afgenomen moleculaire activiteit aanzienlijk kleiner is.
Het verrassende is echter dat het niveau van de wrijvingscoëfficiënt tijdens de verwarmde proef nog lager ligt. De verwachting is dat door temperatuursverhoging het polymeer zachter wordt en de kogel een dieper slijtspoor trekt, waardoor het contactoppervlak wordt vergroot. Als het contactoppervlak toeneemt, zal de contactspanning afnemen en de wrijving door de grotere adhesiecomponent juist stijgen – de contactspanning is immers normaalkracht gedeeld door het contactoppervlak. Als de afschuifsterkte als gevolg van de toegenomen temperatuur meer afneemt dan dat de adhesiecomponent kan toenemen, ontstaat er een evenwicht met juist verlaging van de wrijvingscoëfficiënt als gevolg.
Deze inleidende metingen tonen duidelijk aan dat materialen onder invloed van hoge en/of extreem lage temperatuur en vacuüm anders kunnen reageren dan in eerste instantie aangenomen. Om hier wat betreft ontwerp, betrouwbaarheid en levensduurvoorspelling op in te kunnen spelen, is het van belang om nauwkeurige en representatieve wrijvings- en slijtagemetingen te kunnen uitvoeren met meetapparatuur die goede omgevingscondities simuleert. De door TNO ontworpen en gebouwde cryotribometer biedt de mogelijkheid om onder extreme condities het tribologisch gedrag van verschillende materiaalcombinaties te onderzoeken.
