Verschleißarme Beschichtungen für Bremssysteme von batteriebetriebenen Leichtfahrzeugen

Im Verbundvorhaben InnoBrake (gefördert durch das Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus, Förderkennzeichen BW1_4210/02) erforscht das IKMT (Stuttgart) zusammen mit der Fahrwerker GmbH (Metzingen) neuartige Beschichtungen für Bremssysteme, welche speziell für den Einsatz in batteriebetriebenen Leichtfahrzeugen (Light Electric Vehicles - LEVs) eingesetzt werden. Diese Fahrzeuge zeichnen sich durch ein vergleichsweise hohes Gesamtgewicht und häufige Bremsvorgänge aus, was zu erhöhtem Verschleiß der Bremssysteme führt.

Ziel des Projekts war es, die Standfestigkeit solcher Systeme durch innovative Werkstoff- und Beschichtungstechnologien deutlich zu verbessern, und somit die Service- und Wechselintervalle deutlich zu verlängern.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden unterschiedliche keramische (Oxid, Oxid/Karbid) Oberflächenbeschichtung in Kombination mit verschleißfesten Materialpaarungen für Bremsbeläge entwickelt und untersucht. Die Labor- und Prüfstanduntersuchungen zeigen eine signifikante Steigerung der Standfestigkeit gegenüber herkömmlichen Systemen. Je nach Reibpartner und keramischem Werkstoff kann mit Schichtstärken von 200 µm eine bis zu 4-fache Lebensdauer erreicht werden.

Ein wesentlicher Fortschritt liegt in der nachbearbeitungsfreien Beschichtungstechnologie. Im Gegensatz zu etablierten Beschichtungsverfahren welche in der Automobilindustrie genutzt werden (Laserauftragsschweißen, Kaltgasspritzen, HVOF mittels Pulver), wurde in diesem Verbundvorhaben net-shape Beschichtungen mittels S-HVOF entwickelt, wodurch auf den aufwändigen Schleifprozess nach der Beschichtung verzichtet werden kann. Durch den Einsatz von HVOF mit Suspensionen als Ausgangswerkstoff können Oberflächengüten von R_z < 10 µm erreicht werden. 3D-Koordinatenmessungen zeigen, dass durch die Beschichtung die geometrischen Toleranzen der Bremsscheiben nicht negativ beeinflusst werden. Damit kann auf eine Nachbearbeitung der Beschichtungen (Schleifen mit Diamantwerkzeugen) sowie ein nachträgliches Richten des Bauteils verzichtet werden. Das reduziert System- und Fertigungskosten – ein entscheidender Faktor für den Einsatz im Fahrrad- und LEV-Sektor, wo Kosten und Nachhaltigkeit eine zentrale Rolle spielen.

Im Rahmen des Projektes wurde die Laservorbehandlung (CW- & UKP-Laser) als automatisierbare und rückstandsfreie Alternative zu den etablierten Sandstrahlverfahren untersucht. Strukturen, welche mittels UKP-Laser generiert werden, zeigen dabei eine geringe Temperatureinwirkung in den Grundwerkstoff sowie die Möglichkeit, wiederholgenau Oberflächenstrukturen mit R_z = 25 - 30 µm zu produzieren, ideal für den folgenden Suspensionsspritz-Prozess. Mittels dieser neuartigen Laseraufrauhung konnten hohe Haftfestigkeitswerte von bis zu 46,4 MPa erzielt werden.     

Durch die erhöhte Verschleißfestigkeit und den geringeren Wartungsbedarf trägt das neu entwickelte Bremssystem zu einer Verlängerung der Wartungsintervalle und zur Reduktion von Ersatzteil- und Betriebskosten bei. Dies bietet insbesondere für Dienstleistungs- und Sharing-Anbieter von E-Bikes und Leichtfahrzeugen klare wirtschaftliche Vorteile. Gleichzeitig leistet die Technologie einen Beitrag zur Ressourcenschonung und zur nachhaltigen Mobilität. Die beschichteten Bremsscheiben wurden von namenhaften Herstellern von Cargo-Bikes und LEVs aus Baden-Württemberg auf Herz und Nieren im Realbetrieb geprüft.

Wichtige im Projekt erreichte Milestones:

• Im Beschichtungsprozess sind Auftragswirkungsgrade von bis zu 84,9 % erreichbar.
• Oberflächenrauheit nach Beschichtung 9,1 µm ± 0,5 µm.
• Geometrische Toleranzen werden durch die Beschichtung nicht beeinflusst.
• Keramische Oberflächen eignen sich in Kombination mit organischen Bremsbelägen als Bremssystem.
• Verschleißvolumen wird auf ¼ gegenüber gehärtetem Stahl reduziert -> 4-fache Lebensdauer im erweiterten ISO 4210 Endurance-Test für Fahrrad-Bremssysteme.
• Hohe Haftfestigkeit (46,4 MPa) durch laserbasierte Oberflächenstrukturierung.

Zudem wurden die Haupteinflussfaktoren zur Herstellung von net-shape Beschichtungen mittels HVOF ermittelt und analysiert, und können somit auf andere Werkstoffsysteme abgeleitet werden.

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Vielen Dank an dieser Stelle an das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus für die Förderung dieses Projektes und an die Fahrwerker GmbH für die gute Zusammenarbeit in diesem Forschungsprojekt