DE102015014925B4

DE102015014925B4 - Friction layers with channel structure

Info

Publication number: DE102015014925B4
Application number: DE102015014925.3A
Authority: DE
Inventors: Ute Wittig; Ronald Hüner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: DE102015014925A1

Abstract

Reibschichten auf Synchronringen, Kupplungen, Reibkupplungen oder Getriebebauteilen, wobei das Reibmaterial Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid sowie wahlweise Graphit, Molybdändisulfid, weitere Metallsulfide, Zink, Nickel, Molybdän, Eisen, Zinn, Bronze, organische Fasern und/oder anorganische Fasern, sowie Binder aus organischen Polymeren umfasst, dadurch gekennzeichnet dass die Reibschicht an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche mit Kanälen durchsetzt ist, deren Durchmesser zwischen 0,01 bis 1 mm liegt, wobei die Kanäle zum überwiegenden Teil miteinander zu einem regelmäßigen Netzwerk verbunden sind, und wobei das Netzwerk der miteinander verbundenen Kanäle Maschenweiten im Bereich von 3 bis 10 mm aufweist.Friction layers on synchronizer rings, clutches, friction clutches or transmission components, wherein the friction material silica and / or alumina and optionally graphite, molybdenum disulfide, other metal sulfides, zinc, nickel, molybdenum, iron, tin, bronze, organic fibers and / or inorganic fibers, and binder from comprising organic polymers, characterized in that the friction layer is interspersed on the surface and below the surface with channels whose diameter is between 0.01 to 1 mm, wherein the channels are connected for the most part to a regular network, and wherein the network the interconnected channels have mesh sizes in the range of 3 to 10 mm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Reibschichten, insbesondere auf Synchronringen, Kupplungen, Reibkupplungen oder Getriebebauteilen mit Kanälen. The invention relates to friction layers, in particular synchronizer rings, clutches, friction clutches or transmission components with channels.

Synchronringe sind ein Bestandteil moderner Getriebe, insbesondere Autogetriebe, und bringen durch Friktion Zahnräder und Schaltmuffen des jeweils gewählten Ganges auf gleiche Drehzahl. Dadurch können die Gänge ohne Zwischengas eingelegt werden, wie dies in unsynchronisierten Getrieben erforderlich ist. Synchronizer rings are part of modern gearboxes, especially car transmissions, and bring by friction gears and shift sleeves of the selected gear to the same speed. As a result, the gears can be inserted without intermediate gas, as required in unsynchronized transmissions.

Synchronringe bestehen aus Metall, wobei Messing, Bronze, Gusseisen und Stahl die häufigste Verwendung finden. Die Metallringe sind mit Reibbelägen, beziehungsweise Reibschichten versehen. Reibbeläge sind ein elementarer Bestandteil der Synchronringe und dienen vor allem als Verschleißschutzschicht. Gängige Bestandteile für diese Reibbeläge sind Molybdän, Eisen, Bronze oder Kohlenstoff in Form von Carbonfasern. Synchronizer rings are made of metal, with brass, bronze, cast iron and steel being the most common use. The metal rings are provided with friction linings or friction layers. Friction linings are an elementary component of the synchronizer rings and serve primarily as a wear protection layer. Common components for these friction linings are molybdenum, iron, bronze or carbon in the form of carbon fibers.

Eine beispielhafte Reibschicht ist aus der EP 0 202 145 B1 bekannt. Die Reibschichten der EP 0 202 145 B1 weisen Kanäle mit unterschiedlichen Kanaldurchmessern auf. Aus der DE 10 2008 005 835 A1 ist zudem ein Reibschichtträger bekannt. An exemplary friction layer is from the EP 0 202 145 B1 known. The friction layers of EP 0 202 145 B1 have channels with different channel diameters. From the DE 10 2008 005 835 A1 In addition, a Reibschichtträger is known.

Synchronringe mit Carbonfaserbeschichtung sind bei hohem Reibwert besonders verschleißbeständig und bieten sehr gutes Reibverhalten. Aufgrund ihres hohen Preises und der komplizierten und kostenintensiven Applikation, werden sie vor allem in Hochleistungsgetrieben eingesetzt. Carbon fiber-coated synchronizer rings are particularly resistant to wear at high coefficients of friction and offer very good friction behavior. Due to their high price and the complicated and cost-intensive application, they are mainly used in high-performance transmissions.

Synchronringe werden üblicherweise in Form von Halbzeug geschmiedet oder ausgestanzt mit anschließender Bearbeitung und Oberflächenbehandlung. Dabei werden u.A. Reibbeläge auf die Synchronringe aufgebracht. Synchronizer rings are usually forged or punched in the form of semi-finished products with subsequent processing and surface treatment. Thereby u.A. Friction linings applied to the synchronizer rings.

Es sind einfache Ausgestaltungen von Synchronringen aus einem einheitlichen Werkstoff bekannt, bei denen dieser sowohl die mechanischen Festigkeitseigenschaften als auch die beim Reibschluss zwischen den Oberflächen von Synchronring und Gegenkonus geforderten Reibeigenschaften mitbringen muss. There are simple embodiments of synchronizer rings made of a uniform material, in which this has to bring along both the mechanical strength properties as well as the required frictional engagement between the surfaces of synchronizer ring and counter cone friction properties.

Daneben sind die heute meist verwendeten Synchronringen in Sandwich-Bauweise gefertigt, wobei diesen ein Grundkörper aus dem Werkstoff A die mechanischen Festigkeitseigenschaften verleiht und ein auf diesen aufgebrachter Reibring oder Reibmaterial aus dem Werkstoff B die vorteilhaften Reibeigenschaften. Für beide Ausführungen von Synchronringen ist seit langem die Verwendung von Messing- und Bronzewerkstoffen bekannt, siehe dazu z.B. DE-AS 16 30 912 , GB-PS 530 904 . Diese Reibbeläge werden aufgespritzt oder im Sinterverfahren aufgebracht. In addition, the synchronizer rings most commonly used today are made in a sandwich construction, this gives a basic body of the material A, the mechanical strength properties and applied to this friction ring or friction material made of the material B, the advantageous friction properties. For both versions of synchronizer rings has long been the use of brass and bronze materials known, see for example DE-AS 16 30 912 . GB-PS 530 904 , These friction linings are sprayed on or applied by sintering.

Weiche metallische Werkstoffe wie Bronze neigen im Reibschluss mit Reibflächen aus Stahl zu großem Verschleiß, d.h. zu geringer Lebensdauer. Es ist technisch und kommerziell bedingt, dass schmelzmetallurgisch gefertigte Synchronringe vorwiegend aus verschiedenen Messinglegierungen als preisgünstiges Standardbauteil gelten und bis heute in PKW-Getrieben überwiegend Verwendung finden. Die Additivierung der Reibflächen mit harten Reibmaterialien und Schmierstoffen führt zu einer verbesserten Lebensdauer und komfortableren Schaltvorgängen. Material, Materialstruktur und -dichte lässt prinzipiell weite Ausgestaltungsbereiche offen. Die Materialzusammensetzung der Reibbeläge ist dabei weitgehend homogen. An der Oberfläche ist dabei eine geringe Porosität zu beobachten. Soft metallic materials such as bronze tend to wear too much in friction with steel friction surfaces, i. too short life. It is technically and commercially conditioned that fusion-metallurgically manufactured synchronizer rings are mainly from different brass alloys as a low-priced standard component and are still used mainly in car transmissions today. Additizing the friction surfaces with hard friction materials and lubricants results in improved durability and more comfortable shifting. Material, material structure and density can in principle open wide areas of design. The material composition of the friction linings is largely homogeneous. At the surface, a low porosity is observed.

Zusammensetzung, Porosität und Struktur sind für die kommerzielle Verwertung wichtig. Die DE 29 28 853 A1 beschreibt die Herstellung von Synchronringen aus einem abrieb- und verschleißfesten Metall, wie z.B. Messing oder Bronze als Feingussteile. Dadurch sind derartige Synchronringe im Allgemeinen teuer und schwer. Als Weiterentwicklung wird dort die Sandwich-Bauweise beschrieben, nach der der ringförmige Haupt- bzw. Basiskörper aus einem Kunststoff besteht, auf den ein Ringkörper aus verschleißfestem Metall mit einer konischen Gleitfläche aufgebracht ist. Composition, porosity and structure are important for commercial exploitation. The DE 29 28 853 A1 describes the production of synchronizer rings made of an abrasion and wear-resistant metal, such as brass or bronze as precision castings. As a result, such synchronizer rings are generally expensive and heavy. As a further development there is described the sandwich construction, according to which the annular main or base body consists of a plastic, on which an annular body made of wear-resistant metal is applied with a conical sliding surface.

In der DE 12 07 708 A1 ist ein gesinterter Reibbelag auf Eisenbasis beschrieben, der als Zusatz neben kleinen Mengen an Graphit, Siliziumdioxid, Blei und Zinn auch 12–25% Kupfer enthalten kann. Entsprechend der US 22 14 104 ist der Reibbelag ein poröses, gesintertes Metallelement, das aus 78 Teilen Eisen, 20 % Blei und 2 Anteilen an Graphit besteht. In the DE 12 07 708 A1 is described a sintered friction lining based on iron, which may contain as addition to small amounts of graphite, silica, lead and tin also 12-25% copper. According to the US 22 14 104 The friction lining is a porous, sintered metal element consisting of 78 parts iron, 20% lead and 2 parts of graphite.

Die DE 27 18 495 A1 nennt in ihrem Hauptanspruch für die im Reibschluss miteinander kuppelnden Teile einer Synchronisiereinrichtung die Verwendung von Werkstoffen hoher Wärmeleitfähigkeit, wie niedrig legierte Kupferlegierungen. The DE 27 18 495 A1 mentions in its main claim for the frictionally coupling parts of a synchronizer the use of materials of high thermal conductivity, such as low alloyed copper alloys.

Bei sintermetallischen Reibwerkstoffen speziell mit nichtmetallischen Zusätzen und Schmierstoffen mangelt es bis heute regelmäßig an der ausreichenden Verdichtung, d.h. es treten Schwierigkeiten bei der Herstellung eines Reibmaterials solcher Festigkeit auf, die den beim Reibeingriff zwischen Synchronring und Reibpartner auftretenden hohen Pressdrücken und Temperaturbelastungen standhält. With sintered metallic friction materials, especially with non-metallic additives and lubricants, there is still a lack of adequate compaction, i. There are difficulties in the production of a friction material of such strength, which withstands the high compression pressures and temperature stresses occurring during frictional engagement between synchronizer ring and friction partner.

Die Literatur bietet eine große Auswahl von speziellen Herstellungsverfahren zur Verarbeitung sehr unterschiedlicher metallischer und nicht metallischer Werkstoffe an. Doch Herstellverfahren, speziell pulvermetallurgische, sind aufwendig und verteuern einen derart gefertigten Synchronring. The literature offers a wide range of specialized manufacturing processes for processing very different metallic and non-metallic materials. However, manufacturing processes, especially powder metallurgical, are expensive and more expensive synchronizer ring manufactured in this way.

Die Porosität der Reibbeläge oder Reibschichten lässt sich mit den bekannten Verfahren nicht oder nur sehr bedingt steuern. The porosity of the friction linings or friction layers can not or only very limited control with the known methods.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Aufbau von Reibschichten, insbesondere für entsprechende Synchronisations-Einrichtungen als auch für Kupplungen, Antriebe, sowie andere Industrieapplikationen als reibtechnisch relevante Einrichtungen zur Verfügung zu stellen. It is therefore an object of the invention to provide an improved structure of friction layers, in particular for corresponding synchronization devices as well as for clutches, drives, as well as other industrial applications as friction-relevant devices available.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Reibschicht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. This object is achieved by a friction layer having the features of patent claim 1.

Bevorzugt wird ein Bauteil für ölgeschmierte Einrichtungen zur Reibsynchronisation in Schaltgetrieben von Kraftfahrzeugen, wie Synchronringe, mit Reibflächen bereitgestellt. Preferably, a component for oil-lubricated devices for friction synchronization in manual transmissions of motor vehicles, such as synchronizer rings, provided with friction surfaces.

Die Erfindung betrifft somit ein Bauteil, insbesondere Synchronring, aber auch Kupplungsbeläge sowie andere reibtechnisch relevante Einrichtungen zur Kraftübertragung, mit Reibflächen zur Reibsynchronisation in Kfz-Schaltgetrieben und anderen Anwendungen in denen Kräfte per Friktion übertragen werden. The invention thus relates to a component, in particular synchronizer ring, but also clutch linings and other friction-relevant devices for power transmission, with friction surfaces for Reibsynchronisation in automotive manual transmissions and other applications in which forces are transmitted by friction.

Das angewendete Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Reibflächen-Werkstoffs mit einer hohen Vielzahl von Strukturen und Materialien. Das Material enthält, um das Reibverhalten, die Verschleißfestigkeit und den Schaltkomfort zu steigern, metallische und nichtmetallische Materialien, sowie Fasern. Es können je nach Ausführungsart auch organische und/oder anorganische Polymere Verwendung finden. The method used makes it possible to produce a friction surface material with a large number of structures and materials. The material contains to increase the friction behavior, the wear resistance and the shift comfort, metallic and non-metallic materials, as well as fibers. Depending on the embodiment, it is also possible to use organic and / or inorganic polymers.

Als Herstellungsverfahren ist vorgesehen, mittels eines 3D-Druckverfahrens eine mit zur Ölaufnahme geeigneten Kanälen durchzogene Reibschicht auf das Substrat aufzubringen. Das 3D-Druckverfahren sieht dabei vor, das Material für den Reibbelag, bzw. die Reibschicht, zusammen mit Kanälen mit gezielt einstellbarer Dicke, bzw. Durchmesser, Ausrichtung und Vernetzung für die Aufnahme von Öl abzuscheiden, beziehungsweise aufzudrucken. Das 3D-Druckverfahren eignet sich dabei besonders gut, Netzwerke aus Kanälen mit vorbestimmter und regelmäßiger Struktur auszubilden. Die erfindungsgemäße Reibschicht wird mit Kanälen mit einem regelmäßigen Netzwerk ausgebildet. Die Kanäle weisen zum überwiegenden Teil zur Oberfläche hin und sind nach oben geöffnet. Ein weiterer Teil der Kanäle kann dabei auch unterhalb der Oberfläche verlaufen und benachbarte Kanäle verbinden. As a manufacturing method is provided by means of a 3D printing process applied to a suitable for oil absorption channels rubbing layer on the substrate. In this case, the 3D printing method provides for depositing or printing the material for the friction lining or the friction layer, together with channels having a specifically adjustable thickness, or diameter, orientation and cross-linking, for receiving oil. The 3D printing process is particularly well suited to form networks of channels with a predetermined and regular structure. The friction layer according to the invention is formed with channels with a regular network. The channels are for the most part towards the surface and are open at the top. Another part of the channels can also run below the surface and connect adjacent channels.

Die Aufbringung von Reibmaterial mittels Drucktechnologie erlaubt die kommerziell tragbare Herstellung von Reibbelägen die sowohl den tribologischen als auch mechanischen Ansprüchen genügen. Dabei kann zur Verbesserung der Eigenschaften der Reibschicht ein anschließender Härtungs- und oder/ Sinterschritt in den Produktionsprozess inkludiert werden. The application of friction material by means of printing technology allows the commercially portable production of friction linings which meet both the tribological and mechanical requirements. In this case, a subsequent hardening and / or sintering step can be included in the production process to improve the properties of the friction layer.

Im Sinterschritt wird das als Bindemittel verwendete Polymer zersetzt oder ausgehärtet und das verbleibende Restmaterial gesintert. Der Vorteil liegt hier neben der hohen mechanischen Festigkeit in der gleichzeitig hohen Mikro-Porosität. In the sintering step, the polymer used as a binder is decomposed or hardened, and the remaining material is sintered. The advantage here lies in addition to the high mechanical strength in the same high micro-porosity.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Reibschicht mit Carbonfasern ausgebildet. In a preferred embodiment of the invention, the friction layer is formed with carbon fibers.

Bei der Herstellung von Carbonfaserbelägen werden die Reibwerkstoffe in Form von imprägnierten oder beschichteten Fasern oder Geweben, sogenannten Carbonfaserprepregs auf ein Trägerblech aufgeklebt siehe dazu z.B. DE 10334881 A1 . Die Klebefuge enthält thermisch reaktive Polymere. Hierbei sind die guten tribologischen Eigenschaften als auch die Struktur der Gewebe ein entscheidendes Kriterium zur Einstellung der Reibcharakteristik. Die Gewebe sind in der Regel gut geeignet Öle aufzunehmen und haben eine gut einstellbare Kompressibilität. In the production of carbon fiber linings, the friction materials in the form of impregnated or coated fibers or fabrics, so-called Carbonfaserprepregs glued to a support plate see, for example DE 10334881 A1 , The glue joint contains thermally reactive polymers. Here, the good tribological properties as well as the structure of the fabrics are a decisive criterion for setting the friction characteristic. The fabrics are usually well suited to absorb oils and have a well adjustable compressibility.

Das besondere Charakteristikum dieser Carbonfaserbeläge ist die rasche Aufnahme und Abgabe von Öl. Dies ermöglicht einen schnellen Kontakt der Reibpartner, da die Verdrängung des Öls in einer ölgeschmierten Applikation rasch erfolgt. Die Herstellungskosten für derartige Synchroneinrichtungen mit Reibbelag sind jedoch so hoch, dass sie bis heute überwiegend im Segment sehr hoher Belastungsanforderungen eingesetzt werden. Bei Standardgetrieben im PKW werden daher schmelzmetallurgisch gefertigte Vollmessingringe als Synchronringe verwendet. An dieser Stelle können die gewünschten Struktur und Materialeigenschaften durch den 3D-Druck sehr gezielt erzeugt werden und erlauben zudem eine Verbesserung des sonst in der Regel nur unbefriedigenden Kompromisses zwischen sich in der Regel ausschließender hoher mechanischer Festigkeit und guten Reibeigenschaften. Für erstere muss absolute Porenfreiheit, für letztere muss nach Ansicht des Fachmannes eine grobkörnig poröse Werkstoffstruktur angestrebt werden. The special feature of these carbon fiber coverings is the rapid absorption and release of oil. This allows rapid contact of the friction partners, since the displacement of the oil takes place rapidly in an oil-lubricated application. However, the production costs for such synchronous devices with friction lining are so high that they are used until today predominantly in the segment of very high load requirements. For standard gearboxes in passenger cars, solid brass rings produced by fusion metallurgy are therefore used as synchronizer rings. At this point, the desired structure and material properties can be generated by the 3D printing very targeted and also allow an improvement of the otherwise usually unsatisfactory compromise between usually rule out high mechanical strength and good friction properties. For the former absolute freedom from pores must be sought, for the latter in the opinion of the expert a coarse-grained porous material structure should be sought.

Die rasche Verdrängung des Öls in einer ölgeschmierten Anwendung ist durch die gezielt eingebrachte Struktur von Kanälen mittels des 3D-Druckverfahren ein besonders zu nennender Vorteil. The rapid displacement of the oil in an oil-lubricated application is a particularly notable advantage due to the deliberately introduced structure of channels by means of the 3D printing process.

Neben den Abflusswegen werden auch Reservoire für das Öl zur Verfügung stellt. Die Struktur umfasst Kanäle verschiedener Dimension die als offene Zwischenräume gezielt Poren und Lücken bilden. Damit kann das Reibmaterial von Öl durchspült werden, um die auf das Öl übertragene Reibungswärme abzutransportieren. In addition to the drainage routes are also providing reservoirs for the oil. The structure comprises channels of various dimensions which form pores and gaps as open interstices. This allows the friction material to be flushed with oil to carry away the frictional heat transferred to the oil.

Eine beispielhafte Ausgestaltung der Reibschicht zeigt 1. Die Reibschicht weist Einschlüsse aus Metallen (1) und Abrasiven (2) auf. Die Kanäle (3) ragen von der Oberfläche her in die Reibschicht hinein und kreuzen sich teilweise. Die Reibschicht weist Fasern (4) auf. Das Substrat, beziehungsweise der Träger (5) ist unterhalb der Reibschicht nur angedeutet. An exemplary embodiment of the friction layer shows 1 , The friction layer has inclusions of metals ( 1 ) and abrasives ( 2 ) on. The channels ( 3 ) protrude from the surface into the friction layer and intersect in part. The friction layer has fibers ( 4 ) on. The substrate, or the carrier ( 5 ) is indicated below the friction layer only.

Die in 1 gezeigten Hohlräume und Kanäle sind dazu geeignet das Öl auf dem Belag aufzunehmen und ins Innere des Belags, beziehungsweise der Reibschicht abzuleiten. Die unterhalb oder in der Oberfläche verlaufenden Kanäle können das Öl speichern und bei Bedarf auch wieder an die Oberfläche abgeben. Dadurch bildet sich sehr schnell auf der gesamten Oberfläche ein nahezu vollständiger Kontakt der tribologischen Partner aus und damit ein vollständiger und schneller Kraftschluss. Neben der erhöhten Effektivität ist ein verminderter abrassiver und ablativer Verschleiß erfindungsgemäßer Beläge als Vorteil zu nennen. In the 1 shown cavities and channels are suitable to absorb the oil on the surface and to dissipate into the interior of the lining, or the friction layer. The channels running below or in the surface can store the oil and, if necessary, release it to the surface again. As a result, an almost complete contact of the tribological partners is formed very quickly over the entire surface and thus a complete and rapid adhesion. In addition to the increased effectiveness is a reduced abrassive and ablative wear inventive coatings as an advantage.

Die Kanäle sind teilweise nach oben geöffnet und verlaufen teilweise unterhalb der Oberfläche. Die Ausrichtung der Kanäle ist dabei unterschiedlich. Die Kanäle verlaufen bevorzugt sowohl horizontal wie auch vertikal zur Fläche des unter der Reibschicht liegenden Substrates. Die Kanäle sind teilweise nach oben geöffnet. Ein weiterer Teil der Kanäle verläuft bevorzugt unterhalb der Oberfläche der Reibschicht und ist nicht unmittelbar nach oben geöffnet. Insbesondere die unterhalb der Oberfläche verlaufenden Kanäle bilden ein regelmäßiges Netzwerk. Das Netzwerk ist durch einen Teil nach oben laufender, bzw. an die Oberfläche mündender Kanäle nach oben hin geöffnet. The channels are partially open upwards and partially run below the surface. The orientation of the channels is different. The channels preferably run both horizontally and vertically to the surface of the underlying substrate under the friction layer. The channels are partially open at the top. Another part of the channels preferably runs below the surface of the friction layer and is not opened directly upwards. In particular, the channels running below the surface form a regular network. The network is opened upwards by a part of channels running upwards or to the surface.

Die Dicke, bzw. der Durchmesser der Kanäle liegt im Bereich von 0,1 bis 1 mm. Durch die Kanäle wird ein Netzwerk gebildet, bei dem sich die Kanäle in etwa alle 3 bis 10 mm kreuzen. Das Netzwerk hat somit eine Maschenweite von 3 bis 10 mm. The thickness, or the diameter of the channels is in the range of 0.1 to 1 mm. Through the channels, a network is formed in which the channels intersect in about every 3 to 10 mm. The network thus has a mesh size of 3 to 10 mm.

Eine bevorzugte Zusammensetzung von Reibschichten umfasst:
1–6 Gew.% Silizium- und/oder Aluminiumoxid,
wahlweise 0,2–6 Gew.% Graphit und/oder Molybdändisulfid und andere Metallsulfide,
sowie 0 bis zu 40 Gew.% Zink,
0 bis zu 40 Gew.% Nickel,
0 bis zu 40 Gew.% Molybdän,
0 bis zu 30 Gew.-Anteil Zinn,
0 bis zu 80% Bronze,
0 bis 20% Fasern,
und organische oder anorganische Binder. A preferred composition of friction layers comprises:
1-6% by weight of silicon and / or aluminum oxide,
optionally 0.2-6 wt.% Graphite and / or molybdenum disulfide and other metal sulfides,
and 0 up to 40% by weight of zinc,
0 up to 40% by weight of nickel,
0 up to 40% by weight of molybdenum,
0 up to 30 parts by weight of tin,
0 up to 80% bronze,
0 to 20% fibers,
and organic or inorganic binders.

Die organischen Binder werden durch organische Polymere gebildet, deren Teilchengrößen unterhalb 60 µm liegen. Bei Ausgangspulvern zur Herstellung von bronzehaltigen Belägen werden 5 und 60 µm und für silizium- und/oder aluminiumoxidhaltige Beläge weniger als 40 µm bevorzugt. The organic binders are formed by organic polymers whose particle sizes are below 60 microns. For starting powders for the production of bronze-containing coatings 5 and 60 microns are preferred and for silicon and / or alumina-containing coatings less than 40 microns.

Silizium- und/oder Aluminiumoxid werden im Folgenden auch als Abrasive bezeichnet. Silicon and / or aluminum oxide are also referred to below as abrasives.

Die organischen Polymere sind gefüllte und ungefüllte Phenolharz- und/oder Epoyidharzpolymere, die im ungehärteten oder und ausgehärteten Zustand eingesetzt werden können. Sie können auch als Friktion Modifier eingesetzt werden. The organic polymers are filled and unfilled phenolic resin and / or epoxy resin polymers that can be used in the uncured or cured state. They can also be used as a friction modifier.

Als Fasern können sowohl organische (Polymere wie Aramid, Phenolharz, PAN-Fasern), als auch anorganische Fasern (wie Glas-, Keramik-. Basalt-, Carbonfasern) Verwendung finden. Als Fasern gelten auch organische und anorganische Hohlfasern. As fibers, both organic (polymers such as aramid, phenolic, PAN fibers), and inorganic fibers (such as glass, ceramic, basalt, carbon fibers) can be used. As fibers are also organic and inorganic hollow fibers.

Die Härtung kann, wenn erforderlich, während des Aufbringens oder in einem anschließenden Produktionsschritt erfolgen. The curing can be done, if necessary, during the application or in a subsequent production step.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff enthält neben den für das Reib- und Verschleißverhalten unverzichtbaren Komponenten eine Reihe von weiteren alternativen Zusatzwerkstoffen. Diese beeinflussen zum einen vornehmlich die mechanischen Festigkeitseigenschaften und zum anderen die Gleiteigenschaften des Reibwerkstoffes. Die Zusatzwerkstoffe sind in ihrer Wirksamkeit als Werkstoffgruppe zu sehen. Die Zusatzstoffe können aus der Gruppe der Sulfide wie FeS oder Oxide wie ZiO2 oder aus der Gruppe der Kohlenstoffmodifikationen wie Ruß stammen. In addition to the components which are indispensable for the friction and wear behavior, the composite material according to the invention contains a number of further alternative filler materials. These affect on the one hand primarily the mechanical strength properties and on the other hand, the sliding properties of the friction material. The additional materials are to be seen in their effectiveness as a material group. The additives can come from the group of sulfides such as FeS or oxides such as ZiO2 or from the group of carbon modifications such as carbon black.

Als 3D-Druckverfahren lassen sich im Prinzip alle bekannten 3D-Druckverfahren verwenden. Dazu werden beispielsweise dünne Schichten eines zuvor hergestellten Pulvers oder einer Paste mit oder ohne Initiator auf das Bauteil aufgetragen, wobei eine erste Beschichtung zur Haftung der Pulverbestandteile am Bauteil sinnvoll ist. Die erste Beschichtung kann aus einem Klebstoff oder einem anderen Polymer oder Polymergemisch wie Methyl (methyl)acrylat/Polymethyl(meth)acrylat oder einem Vinylaromaten bestehen. Das Pulver kann hierbei nach einer bevorzugten Ausführung Polymere enthalten. In principle, all known 3D printing methods can be used as 3D printing methods. For this purpose, for example, thin layers of a previously prepared powder or a paste with or without an initiator are applied to the component, wherein a first coating for adhesion of the powder components on the component is useful. The first coating may consist of an adhesive or other polymer or polymer mixture such as methyl (methyl) acrylate / polymethyl (meth) acrylate or a vinyl aromatic. The powder may contain polymers according to a preferred embodiment.

Die verwendeten organischen Polymere sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe:

– Methyl (methyl)acrylat/Polymethyl(meth)acrylate und ihre copolymere
– Polyamide
– Phenol-, Furan- und Melaminharze
– Polystyrole
– Vinylaromatische Polymere
– Polyester
– Polycarbonate

Polyolefine, Polyvinylchlorid oder deren Copolymere. The organic polymers used are preferably selected from the group:

Methyl (methyl) acrylate / polymethyl (meth) acrylates and their copolymers
- polyamides
- phenolic, furan and melamine resins
- polystyrenes
- Vinyl aromatic polymers
- polyester
- Polycarbonates

Polyolefins, polyvinyl chloride or copolymers thereof.

Die Initiatoren zur Verfestigung der aushärtbaren Polymere können aus der Gruppe der Peroxide, bevorzugt Benzoylperoxid stammen. The initiators for solidifying the curable polymers may be from the group of peroxides, preferably benzoyl peroxide.

Als anorganische Polymere können Metakaoline, Lithium oder Natrium Wasserglas verwendet werden, wobei zur Bildung alumosilikatischer Polymere der Zusatz von Wasser erforderlich ist. As inorganic polymers Metakaoline, lithium or sodium water glass can be used, wherein the formation of aluminosilicate polymers, the addition of water is required.

Eine andere bevorzugte Ausführung ist die Aufbringung oben genannter Pulvermischungen als Formmasse. Another preferred embodiment is the application of the above-mentioned powder mixtures as a molding compound.

Eine weitere bevorzugte Ausführung ist die Aufbringung von polymerfreien Pulvermischungen. Another preferred embodiment is the application of polymer-free powder mixtures.

Die Formgebung beziehungsweise Verfestigung erfolgt bevorzugt in mehreren Schritten nach der Technik des Strahlschmelzverfahrens, im Besonderen im Laser Sintering oder Laserstrahlschmelzverfahren. Dieser Vorgang kann beliebig wiederholt werden, wobei eine endgültige Schichtstärke der Reibschicht bevorzugt 10µm bis 1000 µm beträgt. Shaping or solidification is preferably carried out in several steps according to the technique of beam melting, in particular laser sintering or laser beam melting. This process can be repeated as desired, with a final layer thickness of the friction layer preferably being 10 μm to 1000 μm.

Im Unterschied zu bekannten Verfahren können gezielt Schichten und Strukturen an der Oberfläche und im Inneren geschaffen werden, um gezielt hohe Festigkeiten mit guter Reibcharakteristik mittels preiswerter Standardverfahren zu schaffen. In contrast to known methods, it is possible to create layers and structures on the surface and in the interior in a targeted manner, in order to specifically create high strengths with good friction characteristics by means of inexpensive standard methods.

Die Oberflächenzone des Reibwerkstoffs, beziehungsweise der Reibschicht, wird am fertig bedruckten und ggf. fertig gefügten Bauteil bevorzugt mittels Überdrehen oder Überschleifen der Reibfläche erzeugt. The surface zone of the friction material, or the friction layer, is preferably produced on the finished printed and possibly finished assembled component by over-turning or grinding of the friction surface.

Nach einer Ausführung der Erfindung wird die so geschaffene Reiboberfläche anschließend mittels Hochdruck-Partikelstrahlens innerhalb einer Oberflächenzone geringer Tiefe verdichtet und nachverfestigt sowie oberflächlich aufgeraut. According to one embodiment of the invention, the friction surface thus created is then compressed by means of high-pressure particle beam within a surface zone of shallow depth and post-solidified and roughened on the surface.

Bezogen auf seine bestimmungsgemäße Verwendung liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen Verbund-Reibwerkstoffes und des aus ihm gefertigten Bauteils in einer für den Fachmann nicht vorhersehbaren Vielzahl nebeneinander vorliegender, günstiger Kenndaten und Eigenschaften; bezüglich Struktur und Festigkeit, verbunden mit sehr geringen Fertigungskosten. Im Einzelnen sind Vorteile wie folgt zu benennen:

– das vergleichsweise problemlose und daher kostengünstige Drucken metallischer und nicht metallischer Materialkomponenten
– Die mögliche Verwendung von nichtmetallischen Komponenten, wie anorganische Schmierstoffe, Fasern und anorganische Abrasive (Reibstoffe)
– die wegen vergleichsweise hoher spezifischer Dichte hohe mechanische Festigkeit
– die trotz hoher Dichte hervorragende Reibcharakteristik durch gezielte Schaffung von Porositäten und der gezielten Einstellung von Kompressibilitäten
– Durch die Schaffung erwähnter Kanäle und Hohlräume ist die Verdrängung von Ölen beim Kraftschluss sehr schnell und vollständig.
– Die Hohlräume und Kanäle können dem Anwendungsfall ohne Materialänderung angepasst werden
– Der abrasive und ablative Verschleiß ist durch die hohe Kontaktfläche geringer.
– Der thermische Verschleiß sinkt, da das Reibmaterial von Öl durchspült werden kann, um die auf das Öl übertragene Reibungswärme abzutransportieren.

Relative to its intended use, the advantage of the composite friction material according to the invention and of the component manufactured from it lies in a number of favorable characteristics and properties which are not to be foreseen for the person skilled in the art; in terms of structure and strength, combined with very low production costs. In detail, advantages are to be named as follows:

- The relatively problem-free and therefore cost-effective printing of metallic and non-metallic material components
- The possible use of non-metallic components, such as inorganic lubricants, fibers and inorganic abrasives (abrasives)
- Due to comparatively high specific gravity high mechanical strength
- The outstanding despite high density friction characteristic through targeted creation of porosities and the targeted adjustment of compressibilities
- By creating mentioned channels and cavities, the displacement of oils during traction is very fast and complete.
- The cavities and channels can be adapted to the application without changing the material
- The abrasive and ablative wear is reduced by the high contact surface.
- The thermal wear decreases because the friction material can be flushed by oil, to carry away the transferred to the oil frictional heat.

Die technischen Vorteile sind besonders bedeutsam, weil sie in der Reibpaarung mit bewährten, üblicherweise in Synchronisationseinrichtungen für Getriebe verwendeten glatten und meist porenfreien Gegenkoni aus Stahl erzielt werden können. The technical advantages are particularly significant because they can be achieved in the friction pair with proven, usually used in synchronization devices for transmission smooth and usually non-porous Gegenkoni steel.

Besonders günstige Werte bezüglich Reibcharakteristik lassen sich im Vergleich zu Ausführungen nach dem bekannten Stand der Technik erzielen, wenn der erfindungsgemäße Reibverbundwerkstoff in einer Reibpaarung mit Stahl hoher Oberflächenporosität verwendet wird. Particularly favorable values with respect to friction characteristics can be achieved in comparison to prior art embodiments if the friction composite according to the invention is used in a friction pairing with steel of high surface porosity.

Das nachfolgende Beispiel beschreibt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils. The following example describes a preferred embodiment of the component according to the invention.

Ausführungsbeispiel embodiment

Ein Synchronring ohne Reibschicht wird in die Halterung eines modifizierten 3D-Druckers eingespannt, wobei der Vortrieb des Ringes auf 50–70 mm/sec eingestellt ist. Der Ring besteht aus gestanztem Stahl mit einer entgratenden und entfettenden Vorbehandlung. Der Synchronring wird in ca. 3 Sekunden in der Vorrichtung um seine eigene Achse gedreht und im ersten Schritt mit einem einer Schicht von ca. 0,4 mm Dicke mit Reibschichtmaterial bedruckt. Das Reibmaterial wird dem Drucker als Paste zugeführt. Das Druckbild und die notwendigen Strukturen wurden zuvor mit Hohlräumen von 0,1 mm–0,4 mm Durchmesser als CAD Datei vorgegeben. Die Hohlräume sind länglich, reichen bis zum Träger und verzweigen sich horizontal zum Trägermaterial. A friction ring without friction layer is clamped in the holder of a modified 3D printer, the propulsion of the ring is set to 50-70 mm / sec. The ring is made of stamped steel with a deburring and degreasing pretreatment. The synchronizer ring is rotated about its own axis in the device in about 3 seconds and printed in the first step with a layer of about 0.4 mm thickness with friction layer material. The friction material is fed to the printer as a paste. The print image and the necessary structures were previously specified with cavities of 0.1 mm-0.4 mm diameter as a CAD file. The cavities are elongated, extend to the carrier and branch horizontally to the carrier material.

Die aufgedruckte Paste wurde zuvor durch Mischen und feines Verteilen von 1,5% Abrasiven, 35% Bronze und 2% Aramid-Fasern in 61,5% Phenolharz gewonnen. Als Drucker kann ein modifizierter ExOne Drucker Verwendung finden, wobei selektiv den Angaben der CAD Datei folgend, die zuvor hergestellte Paste aufgetragen wird. Der erste Härtungsschritt findet bereits im Druckvorgang bei 80–100°C statt, wobei auf ausreichende Entlüftung zu achten ist. Nach dem Druck wird das Bauteil 1 h auf 160°C aufgeheizt und nach dem Überschleifen im Synchrongetriebe verwendet. The printed paste was previously obtained by mixing and finely dispersing 1.5% abrasive, 35% bronze and 2% aramid fibers in 61.5% phenolic resin. As a printer, a modified ExOne printer can be used, wherein selectively following the instructions of the CAD file, the previously prepared paste is applied. The first hardening step takes place already in the printing process at 80-100 ° C, whereby it is important to ensure adequate ventilation. After printing, the component is heated for 1 h at 160 ° C and used after grinding in the synchromesh.

Claims

Friction layers on synchronizer rings, clutches, friction clutches or transmission components, wherein the friction material silica and / or alumina and optionally graphite, molybdenum disulfide, other metal sulfides, zinc, nickel, molybdenum, iron, tin, bronze, organic fibers and / or inorganic fibers, and binder from comprises organic polymers, characterized in that the friction layer is penetrated at the surface and below the surface with channels whose diameter is between 0.01 to 1 mm, wherein the channels are connected to each other for the most part to a regular network, and wherein the network of interconnected channels has mesh sizes in the range of 3 to 10 mm.

Friction layer according to claim 1, characterized in that the average particle size of the metal components of the friction material in the order of between 5 and 60 microns, the average particle size of silicon and / or alumina below 40 microns and the mean particle size of graphite, molybdenum disulfide and / or other metal sulfides is below 5 microns.