Neue Standards zur Analyse von Reifenabrieb   Technologieplattform für neue Reifenrezepturen

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Fraunhofer LBF

Quarzwerke GmbH | HPF The Mineral Engineers

In dem Projekt "Teris" wollen Expertenteams der Fraunhofer-Institute ICT, IGD und IWM unter Leitung des Fraunhofer-LBF den Reifenabrieb erstmals standardisiert und praxisnah im Labor erzeugen, analysieren und prognostizieren. 

Der durch den täglichen Verkehr anfallende Reifenabrieb und dessen Zerfallsprodukte stellen eine große Belastung für Mensch und Umwelt dar. Mit der Euro-7-Norm werden erstmals feinstaubbezogene Grenzwerte für Reifenabrieb eingeführt, die von der Wirtschaft fordern, diesen deutlich zu reduzieren und umweltverträglicher zu gestalten.

Existierende Prüfmethoden fokussieren nur die mengenmäßige Verschleißbeständigkeit von Reifen. Form, Größenverteilung und deren Einfluss auf die Degradationsprozesse der Partikel in der Umwelt und ihre Toxikologie werden nicht berücksichtigt. Um diese regulatorisch bedingt absehbare Marktlücke durch Vorlaufforschung zu schließen, ist eine institutsübergreifende Zusammenarbeit von Fraunhofer LBF, IWM, IGD und ICT erforderlich, die alle bereits vereinzelt an Teilaspekten der Thematik „Reifenabrieb“ arbeiten.

Entwickelt wird eine Technologieplattform zur Erzeugung realitätsnahen Gummiabriebs, dessen Analyse für Material- und Reifenentwicklungen und die Prognose für die digitalisierte Fahranalyse genutzt werden. Erforderlich hierzu sind die Entwicklung einer parametrischen Reibfläche und die Erzeugung realer Referenzpartikel. Die Degradation des erzeugten realistischen Abriebs wird mit neuen Techniken der Laborbewitterung und chemischen Analysen untersucht. Die Ergebnisse werden für ökotoxikologische Bewertungen genutzt und auch in Fahrzeugflottensimulationen überführt.

 Neue Standards für die Laboranalyse 

Die Kombination unterschiedlicher Sammel- und Messverfahren erlaubt es, sowohl schwebende als auch sedimentierende Partikelfraktionen genau zu analysieren. Parallel wurden tribologische Modelle entwickelt, die den Zusammenhang zwischen Belastungsparametern, Materialeigenschaften, Oberflächenstruktur und Partikelbildung experimentell und theoretisch beleuchten. Damit lassen sich reale Abriebprozesse gezielt im Labor abbilden. 

Eine auf Schnellalterung spezialisierte Prüfkammer ermöglicht es, Proben gezielt und reproduzierbar unter Umweltstress vorzukonditionieren und so auch den Einfluss auf das Abriebverhalten zu untersuchen. 

Ein wichtiger Fortschritt ist die Entwicklung eines optischen Erfassungssystems, das mittels künstlicher Intelligenz Oberflächenstrukturen präzise erkennt und klassifiziert. Der Ansatz ist bereits mit Ersatzmaterialien validiert und wird in der nächsten Phase auf reale Gummiproben übertragen. 

Das Konsortium hat außerdem ein Prüfstandskonzept entworfen, welches die Erzeugung von Gummiabrieb unter multiaxialer Belastung, die gezielte Partikelerfassung und die Integration optischer Sensorik in einem Laboraufbau vereint. 

Eine Kombination aus Bewitterung und chemischer Analyse der dabei entstehenden flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) des Reifenabriebs ermöglicht die Bewertung des Umwelteinflusses von Partikeln.

Weniger Aufwand in der Materialentwicklung für Reifen

Die laborgestützte Erzeugung realistischen Abriebs und die Analyse der Partikeldegradation bilden die Grundlage für eine standardisierbare Untersuchung und Prognose zur Emissionsneigung von Materialien in einer frühen Phase der Reifenmaterialentwicklung, ohne einen Reifen vollständig herstellen und den Abrieb während der Fahrt einsammeln zu müssen.

Materialanpassungen zur Optimierung von Partikelverteilung und Degradation sind so in viel kürzeren Zyklen und mit viel weniger Aufwand möglich. Zudem bilden die Analyseergebnisse die Basis für human- und umwelttoxikologische Untersuchungen, die erst mit diesen Ergebnissen möglich sind. Die Integration von Reifenverschleiß und Partikelemission in Fahrzeugsimulationen und die Entwicklung eines tribologischen Modells zur Beschreibung von Verschleißpartikelbildung erweitern digitale Anwendungen und erlauben eine ganzheitliche Optimierung.

Gesamtziel ist die Entwicklung einer Technologieplattform für neue Reifenrezepturen. An Proben wird realistischer Abrieb erzeugt, aufgefangen, KI-gestützt klassifiziert, die Partikelgrößen prognostiziert und anschließend bewittert und analysiert.

Folgende Teilziele tragen dazu bei:

• Abriebcharakterisierung und kombinatorische Voralterung,
• Tribologische Abriebmodelle und Konzepte zur Reibflächenentwicklung,
• KI-gestützte Optik und Modelle zur Laufflächenanalyse und Partikelklassifizierung,
• Bewitterungsverfahren zur analytischen Nachverfolgung der Degradationsprozesse,
• Emissionsprognose zur Flottensimulation.

Für die Abriebcharakterisierung wird eine Methodik zur Erzeugung von standardisiertem Referenzabrieb entwickelt, die das Auffangen von schwebenden und sedimentierenden Partikeln unter realistischen Fahrbedingungen aus dem GRIPS-Prüfstand beinhaltet. Die gesammelten Partikel werden dann hinsichtlich Größe und Form charakterisiert und deren Alterungsprozesse untersucht, einschließlich Ozon-, UV-Stress und mechanischer Belastung der Elastomere. Ziel ist die Bereitstellung eines definierten Referenzstandards.

Tribologische Abriebmodelle und Reibflächenentwicklung

Im Bereich der tribologischen Abriebmodelle und Konzepte zur Reibflächenentwicklung steht die Abriebprüfung an Kleinstproben im Fokus. Dabei kommt eine einfache, integrierte Volumenstromführung zum Einsatz, welche sedimentierende oder schwebende Partikel separiert und sammelt.

Dies ermöglicht eine präzise Voranalyse sowohl während der Modellbildung als auch bei der Entwicklung von Reibflächen für multiaxiale Abriebmaschinen. Ergänzt wird dieser Ansatz durch eine physikalisch motivierte Extrapolation von Verschleiß- und Emissionskoeffizienten, die als verlässliche Basis für digitale Prognosen dient.

KI-gestützte Optik und Laufflächenanalyse

Für die KI-gestützte Optik und die Modelle zur Laufflächenanalyse sowie Partikelklassifizierung wird eine innovative Methodik entwickelt. Diese erlaubt die optische Erfassung der Lauffläche direkt im Abriebprüfstand, gefolgt von einer schnellen, KI-basierten Klassifizierung der dortigen Strukturen.

Ein zentrales Element dieses Prozesses ist die anschließende Korrelation der identifizierten Oberflächenstrukturen mit der tatsächlichen Größenverteilung der entstehenden Abriebpartikel.

Bewitterung zur Analyse der Degradation

Das Themenfeld der Bewitterungsverfahren zur analytischen Nachverfolgung von Degradationsprozessen widmet sich der Entwicklung eines industriell anwendbaren und normungsfähigen Nachweisverfahrens. Mithilfe kommerzieller Bewitterungs- und Analysegeräte werden hierbei erzeugte flüchtige (VOC) und schwerflüchtige (SVOC) organische Verbindungen von Reifenabrieb exakt erfasst. Die Ergebnisse und Erkenntnisse münden schließlich in der Erstellung eines umfassenden Verfahrenskatalogs sowie eines praxisnahen Handlungsleitfadens.

Emissionsprognose zur Flottensimulation

Die Emissionsprognose zur Flottensimulation beinhaltet die Entwicklung und Integration von mathematischen Näherungsfunktionen für Fahrzeugsimulationen. Diese dienen dazu, den Reifenverschleiß und die Partikelbildung in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrmanövern und spezifischen Straßenbelagsprofilen präzise vorherzusagen. Auf Basis dieser Reifen-Emissionsprognose lassen sich im nächsten Schritt gezielt abriebsreduzierende Fahrmanöver entwickeln und optimieren.

Das Projekt „Teris“ wird von der Fraunhofer-Gesellschaft finanziert. Die Ergebnisse schaffen die Basis für eine beschleunigte, praxisnahe und fundierte Bewertung neuer Gummimischungen im Labor. Reifenhersteller, Prüfdienste und Umweltbehörden erhalten damit Werkzeuge, die sie in die Lage versetzen, Emissionen gezielt zu reduzieren, neue Produkte schneller zu bewerten und die Anforderungen der Euro-7-Norm zu erfüllen.