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Die Vision vom reibungslosen Antrieb – Beschichtung halbiert Energieverluste

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Eine neuartige Beschichtungstechnologie für Zylinderlaufflächen in Pkw-Motoren unterstützt den Klimaschutz: Die ressourcenschonende NANOSLIDE®-Technologie verringert Reibungsverluste und ermöglicht Leichtbau. Dadurch kann der Verbrauch und somit der CO2-Ausstoß deutlich reduziert werden.

Reibungsloser Klimaschutz
Daimler setzt bei der Mobilität der Zukunft bewusst nicht auf eine solitäre Antriebsform, sondern auf eine Koexistenz unterschiedlicher Technologien. Diese sind optimal auf die jeweiligen Kundenbedürfnisse und Fahrzeugtypen zugeschnitten. Die Optimierung moderner Verbrennungsmotoren spielt in der Roadmap für nachhaltige Mobilität bei Mercedes-Benz daher eine entscheidende Rolle.

Die Reibung zwischen Kolben und Laufbahn gehört zu den größten Einzelreibungen im Motor. Mit der extrem dünnen und reibungsarmen NANOSLIDE®-Beschichtung in den Zylinderinnenflächen sind Verbrauchseinsparungen in einer Größenordnung von mehreren Prozent zu erzielen, da insbesondere in Teillastbereichen bis zu 25 Prozent der Kraftstoffenergie zur Überwindung der innermotorischen Reibung genutzt werden. Die Technologie hilft zudem Gewicht einzusparen und leistet auch damit einen wichtigen Beitrag zur CO2-Senkung.

NANOSLIDE® als ressourcenschonende Motorentechnologie
Auf Basis eines sogenannten Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS®) Verfahrens wird mit einem von Daimler entwickelten, rotierenden Innenbrenner eine spezielle Eisen-Kohlenstofflegierung als Zylinderlaufbahn aufgetragen. Eine schnelle Abkühlung sorgt für ein ultrafeines bis nanokristallines Werkstoffgefüge. Nach einer mehrstufigen, in-house konzipierten Endbearbeitung ist die Gleitschicht nur noch ca. 0,1 bis 0,15 Millimeter dünn. Die entstehende „NANOSLIDE“-Schicht hat im Endzustand eine „spiegelglatte“ und mikroporöse Oberfläche und dadurch ausgezeichnete gleitende und zudem verschleißbeständige Eigenschaften. Der Vorteil dabei ist die prozessbedingte Mikroporosität, die Ölreservoirs schafft und damit trotz extrem glatter Oberfläche die Schmierung sicherstellt.

NANOSLIDE® verringert die Reibungsverluste im Kolben-/Zylinderlaufbahnsystem um bis zu 50%. Dies reduziert den Kraftstoffverbrauch bei Pkw mit Otto- und Dieselmotoren um mindestens 3%. Als Voraussetzung für die Kombination mit Hybriden können, durch den Verzicht auf dickwandige Graugussbuchsen, die Motoren zusätzlich deutlich kompakter, leichter und kleiner ausgelegt werden. Damit kann bis zu einer langfristigen, flächendeckenden Verwirklichung des rein elektrischen Fahrens eine schnelle, wirtschaftliche und weltweite Reduktion von CO2 mit deutschem Automobil- und Maschinenbau-Know-how erzielt werden.

NANOSLIDE® als ressourcenschonende Fertigungstechnologie
Für eine breite Industrialisierung der NANOSLIDE®-Technologie als innovatives, wirtschaftliches und ökonomisches Verfahren war es wichtig, ressourceneffiziente Prozessschritte zu entwickeln und umzusetzen.

Als kritischer Prozessschritt ist die Aufrauhung der Zylinderinnenwand für die mechanische Verklammerung der aufgespritzten Schicht auf dem Aluminium-Substrat vor der eigentlichen Beschichtung notwendig. Dies erfolgt bislang mittels Hochdruck-Wasserstrahlen (HDWS). Bei einem Arbeitsdruck von 3.000bar erfordern der Betrieb von HDWS-Anlagen einen verhältnismäßig zu hohen Energie- und Wasserbedarf. Zusätzlich wird eine relativ aufwendige Technik zur Prozesswasser-Aufbereitung benötigt.

Für einen breiten Einsatz von NANOSLIDE® in einer Großserie war die Entwicklung eines alternativen Fertigungsverfahrens für die Aufrauhung unerlässlich. Das neue Fertigungsverfahren sollte bei deutlich reduziertem Ressourceneinsatz eine gleichwertige Oberflächenaktivierung für die notwendige Schichthaftung ermöglichen. Auch sollte es in einen eng getakteten Fertigungsablauf integrierbar und wirtschaftlich zu betreiben sein.

Für die gute Anbindung der Spritzschicht an das Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse wurde gezielt das neue Fertigungsverfahren „mechanisch Aufrauen“ entwickelt, das seit Anfang 2016 als Vorbehandlungsprozess zum Einsatz kommt. Das „mechanisch Aufrauen“ erzeugt Mikro- und Makrostrukturen, die eine ideale Schichthaftung ermöglichen. Das Ganze lässt sich mittels eines in Bearbeitungszentren integrierbaren innovativen Schneidwerkzeuges umsetzen.

Durch den neuen, innovativen Ansatz für den Prozessschritt wird eine signifikante Einsparung an elektrischer Energie erzielt. So konnte der Verbrauch an elektrischer Energie gegenüber dem HDWS-Verfahren um 96% reduziert werden. Auf die Ressource Wasser, inklusive der aufwendigen Wasseraufbereitung (Trennung von Wasser und Aluminium-Abtrag), kann beim „mechanisch Aufrauen“ komplett verzichtet werden. Die beim „mechanisch Aufrauen“ erzeugten Aluminiumspäne werden rezykliert und dem Gießprozess als Sekundärmaterial wieder zugeführt. So werden allerhöchste Maßstäbe einer umweltgerechten Produktion durch das „mechanisch Aufrauen“ erfüllt.

Die Optimierung der Prozessschritte und der Maschinentechnik erfolgte unter Einbindung des Kooperationspartners Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH aus Nürtingen. Durch die Entwicklungspartnerschaft konnte Hand in Hand eine ideale Lösung für die Prozesskette entwickelt und zeitnah in eine großserienfähige Anlagentechnik überführt werden.

Industrialisierung von NANOSLIDE® und Roll-out bei Daimler AG
Das NANOSLIDE®-Verfahren umfasst eine Vielzahl von Erfindungen und Ideen und ist durch mehr als 40 Patente geschützt. 2013 hat Mercedes-Benz die Technologie bei den turboaufgeladenen V6-Otto- und V6-Dieselmotoren breit in den Markt eingeführt. Eingesetzt wird die NANOSLIDE® Technologie ebenso in den Vier- und Achtzylinder-Motoren der neuesten Generation von Mercedes-AMG. Auch im aktuellen Mercedes Formel 1 V6-Turbo-Motor bringt NANOSLIDE® seine Vorteile zur Geltung.

Mit Einführung der neuen E-Klasse im März 2016 kommt NANOSLIDE® erstmals auch in einem Vierzylinder-Dieselmotor (OM654) zum Einsatz. Durch die Kombination der innovativen Stahlkolben mit der weiter entwickelten NANOSLIDE®-Laufbahnbeschichtung ergeben sich Verbrauchs- und CO2-Emissionsvorteile von bis zu vier Prozent. Dabei sind die Verbrauchsvorteile des E220d im für den Alltag wichtigen unteren und mittleren Drehzahlbereich noch deutlicher.

Zur weltweiten Belieferung von OEMs hat sich die Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH global aufgestellt. International stößt die NANOSLIDE®- bzw. CBC-Technologie bei den OEMs auf großes Interesse. Seit Anfang 2014 haben 13 europäische, amerikanische und asiatische Automobilunternehmen die Herstellung von Kurbelgehäusen mit der NANOSLIDE®-Technologie für Erprobungszwecke veranlasst.

Über die Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH
Die Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH entwickelt und produziert mit rund 2.530 Mitarbeitern weltweit Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme für die spanende Bearbeitung. Das Produktprogramm umfasst vier- und fünfachsige Bearbeitungszentren, Fräs-Dreh-Zentren, Maschinen für die Kurbel- und Nockenwellenbearbeitung sowie flexible Fertigungssysteme. Zu den Kunden zählen Unternehmen aus der Automobilindustrie und deren Zulieferer, aus dem allgemeinen Maschinenbau, der Elektrotechnik, der Aerospace-Industrie, der Energietechnik, der Lohnfertigung sowie aus vielen weiteren Branchen. Fünf Produktionsstätten in Europa, Nord- und Südamerika sowie in Asien gewährleisten die zuverlässige Belieferung der Kunden. Darüber hinaus ist die Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH in allen wichtigen Märkten mit 30 Vertriebs- und Serviceniederlassungen sowie qualifizierten Servicepartnern vertreten.

Über die Daimler AG
Die Daimler AG ist eines der erfolgreichsten Automobilunternehmen der Welt. Mit den Geschäftsfeldern Mercedes-Benz Cars, Daimler Trucks, Mercedes-Benz Vans, Daimler Buses und Daimler Financial Services gehört der Fahrzeughersteller zu den größten Anbietern von Premium-Pkw und ist der größte weltweit aufgestellte Nutzfahrzeug-Hersteller. Daimler Financial Services bietet Finanzierung, Leasing, Flottenmanagement, Versicherungen, Geldanlagen und Kreditkarten sowie innovative Mobilitätsdienstleistungen an.

Daimler vertreibt seine Fahrzeuge und Dienstleistungen in nahezu allen Ländern der Welt und hat Produktionsstätten in Europa, Nord- und Südamerika, Asien und Afrika.

www.daimler.com; www.heller.biz

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Die Vision vom reibungslosen Antrieb – Beschichtung halbiert Energieverluste“ wurde vom Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) eingereicht.