Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
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TERIS - Technologieplattform für Reifenabrieb und dessen Emissionsidentifikation im Straßenverkehr

Realer Reifenabrieb: standardisiert erzeugen, analysieren und prognostizieren

Reifenabrieb und seine Zerfallsprodukte belasten Mensch und Umwelt. Gleichzeitig fehlen standardisierte Laborverfahren, die neben der Abriebmenge auch die Form, Größenverteilung, Alterung und Umweltwirkung der entstehenden Partikel berücksichtigen. Mit der Euro-7-Norm werden erstmals Anforderungen an die Partikelemissionen von Reifen eingeführt. Dadurch gewinnt die zuverlässige Bewertung von Reifen- und Gummimischungen bereits in einer frühen Entwicklungsphase weiter an Bedeutung.

Im Projekt TERIS entwickeln die Fraunhofer-Institute LBF, ICT, IGD und IWM unter Leitung des Fraunhofer LBF eine gemeinsame Technologieplattform. Mit ihr soll realitätsnaher Gummiabrieb standardisierbar im Labor erzeugt, aufgefangen, analysiert und für digitale Emissionsprognosen nutzbar gemacht werden. Ziel ist es, neue Reifenmaterialien schneller zu bewerten, ohne zunächst vollständige Reifen herstellen und deren Abrieb im realen Straßenverkehr sammeln zu müssen.

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.

Die TERIS-Technologieplattform verbindet Abrieberzeugung, Partikelanalyse, KI-gestützte Oberflächenanalyse, Bewitterung und Emissionsprognose.

Erster Meilenstein erreicht

Das Fraunhofer-Konsortium hat den ersten Projektmeilenstein erfolgreich abgeschlossen. Ergebnisse liegen unter anderem zur Erzeugung und Analyse von Referenzabrieb, zu tribologischen Modellen und Reibstrukturen, zur KI-gestützten Oberflächenanalyse, zum Konzept einer neuen Abriebmaschine sowie zu Methoden für Schnellalterung, Bewitterung und VOC-Detektion vor. Der projektbegleitende Beraterkreis mit Fachleuten aus der Industrie bestätigte den erreichten Projektstand im Rahmen des Meilensteinreviews.

Damit ist der geplante Konzeptnachweis für die zentralen Bestandteile der Technologieplattform erbracht. In der nächsten Projektphase werden unter anderem der Funktionsprüfstand aufgebaut, die optische Analyse mit realen Gummiproben verknüpft und die Methoden zur Partikel- und Emissionsprognose weiterentwickelt.

Montierter Testreifen im Innentrommelprüfstand zur Erzeugung von Referenzabrieb.

Reifenabrieb unter praxisnahen Bedingungen erzeugen

Für die Erzeugung von Referenzabrieb wurden erste Versuche an einem Reifen-Innentrommelprüfstand durchgeführt. Dort lassen sich Radlast, Umfangs- und Seitenkräfte gezielt einstellen sowie unterschiedliche Fahrbahnbeläge einsetzen. Durch die Kombination verschiedener Sammelverfahren können sowohl schwebende als auch sedimentierende Partikel erfasst werden.

Bei den Vorversuchen wurde genügend Referenzabrieb für nachfolgende Offline-Analysen gewonnen. Die Partikel wurden mittels Laserbeugung untersucht. Dabei zeigte sich eine breite Partikelgrößenverteilung. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für weitere Messreihen, einen abgestimmten Fahrmanöverkatalog und die Entwicklung einer standardisierbaren Untersuchungsmethodik

Neue Abriebmaschine für die frühe Materialentwicklung

Das Fraunhofer LBF hat das Grundkonzept für eine Laboranlage entwickelt, die realitätsnahen Abrieb direkt an Gummiproben erzeugen und gleichzeitig erfassen soll. Dadurch können Materialmischungen untersucht werden, bevor ein vollständiger Reifen zur Verfügung steht. Für das Maschinenkonzept wurden reale Fahrbelastungen auf Laborbedingungen übertragen und zentrale Einflussgrößen wie Schlupf, Anpressdruck, Seitenkraft, Reibflächenstruktur und Kontakttemperatur berücksichtigt.

Vorgesehen ist ein Gummiprüfkörper, der auf einer angetriebenen Trommel mit definierter Reibstruktur abrollt. Die Anlage soll sedimentierende und schwebende Partikel getrennt erfassen und optische Sensorik zur Untersuchung der beanspruchten Gummioberfläche integrieren. Der Aufbau erfolgt zunächst als Funktionsprüfstand. Dessen Ergebnisse fließen anschließend in einen prototypischen Abriebprüfstand mit geschlossener Prüfkammer, Partikelerfassung, Temperierung und Kamerasystem ein

Künstliche Intelligenz erkennt Oberflächenstrukturen

Das Fraunhofer IGD entwickelt ein optisches Erfassungssystem, das beanspruchte Oberflächen automatisch erkennt, charakterisiert und klassifiziert. Dazu wurde ein hochauflösendes Kamerasystem aufgebaut und ein neuronales Netz für die Auswertung der Bilddaten trainiert.

Der erste Funktionsnachweis erfolgte mit Ersatzmaterialien, deren Oberflächen gezielt mit unterschiedlichen Strukturen versehen wurden. Das KI-Modell ordnete die im Validierungsdatensatz enthaltenen Proben den drei definierten Strukturklassen korrekt zu. In der nächsten Projektphase wird die Methodik auf reale Gummi-Reibspuren übertragen. Langfristig soll die optische Analyse nicht nur Oberflächenklassen erkennen, sondern auch Informationen zur entstehenden Partikelgrößenverteilung liefern.

Reibstrukturen und Partikelbildung verstehen

Das Fraunhofer IWM untersucht, wie Belastung, Materialeigenschaften, Temperatur und Struktur der Reibfläche die Entstehung unterschiedlicher Abriebpartikel beeinflussen. Dafür wurde ein vorhandener Abrasionsprüfstand für Untersuchungen an kleinen Gummiproben angepasst. Unterschiedliche Reibflächen, Normalkräfte und Geschwindigkeiten können systematisch miteinander verglichen werden.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass Rauheit, Reibung, Erwärmung und Partikelbildung eng zusammenhängen. Je nach Belastung und Oberfläche entstehen unterschiedliche Partikelformen und Größenverteilungen. Diese Erkenntnisse fließen in die Gestaltung der Reibflächen für die neue Abriebmaschine und in die Entwicklung tribologischer Modelle ein.

 

Unterschiedliche Reibflächen führen zu charakteristischen Partikelformen und Partikelgrößen.

Alterung und Umwelteinflüsse berücksichtigen

Das Fraunhofer ICT entwickelt eine Kombinationsprüfkammer, mit der Gummiproben unter definierten Umweltbedingungen beschleunigt vorgealtert werden können. Vorgesehen ist die kombinierte Einwirkung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wasser, UV-Strahlung, Ozon, korrosiven Gasen und mechanischer Beanspruchung. Damit soll untersucht werden, wie der Alterungszustand eines Materials das Abriebverhalten und die Eigenschaften der entstehenden Partikel verändert.

Ergänzend untersucht das Fraunhofer LBF die Degradation von Reifenabrieb unter Bewitterung. Flüchtige organische Verbindungen, die während der UV-Belastung entstehen, werden gesammelt und chemisch analysiert. Der erste Nachweis bewitterungsinduzierter flüchtiger Abbauprodukte ist gelungen. Die Messmethodik wird weiter optimiert, um die Verbindungen zu identifizieren und zu quantifizieren.

Abrieb und Emissionen digital prognostizieren

Neben den experimentellen Untersuchungen entstehen Modelle, die Reifenabrieb in Fahrzeug- und Flottensimulationen einbeziehen. Grundlage sind unter anderem reale Radkraftmessungen, typische Fahrmanöver und unterschiedliche Streckenprofile. Daraus sollen Modelle für die Menge und Größenverteilung schwebender und sedimentierender Partikel entwickelt werden.

Die Verbindung von Prüfstandsergebnissen, Partikelanalytik, optischer Oberflächenbewertung und Simulation soll künftig eine umfassende Bewertung neuer Reifenmaterialien ermöglichen. Dadurch können emissionsrelevante Eigenschaften früher im Entwicklungsprozess erkannt und neue Gummimischungen gezielter optimiert werden.

Mehrwert für Industrie, Prüfdienste und Behörden

Die TERIS-Technologieplattform richtet sich insbesondere an Reifen- und Materialhersteller, Prüfdienste, Fahrzeughersteller sowie Akteure aus Umweltbewertung und Regulierung. Die entwickelten Methoden sollen dazu beitragen,

  • realitätsnahen Reifenabrieb reproduzierbar im Labor zu erzeugen,
  • schwebende und sedimentierende Partikel getrennt zu erfassen,
  • Gummimischungen bereits in einer frühen Entwicklungsphase zu vergleichen,
  • den Einfluss von Alterung und Umweltbedingungen zu bewerten,
  • Partikelemissionen für Fahrzeug- und Flottensimulationen zu prognostizieren,
  • Entwicklungs- und Prüfzyklen zu verkürzen und
  • die Grundlage für standardisierbare Prüf- und Bewertungsverfahren zu schaffen.

Nächste Schritte

Nach dem erfolgreichen Konzeptnachweis wird die Technologieplattform in der kommenden Projektphase weiter konkretisiert. Zu den Schwerpunkten gehören:

  • Aufbau und Betrieb des Funktionsprüfstands, die
  • Übertragung der KI-gestützten Analyse auf reale Gummioberflächen
  • Verknüpfung optischer Daten mit gemessenen Partikelgrößenverteilungen 
  • Weiterentwicklung der Bewitterungs- und Emissionsmodelle

PREPARE-Projekt

Das Projekt »TERIS« wird von der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen des »PREPARE-Programms« finanziert. Dieses Programm unterstützt innovative Forschungsprojekte innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft, die darauf abzielen, bahnbrechende Technologien und Lösungen zu entwickeln, die in vielfältigen Anwendungsbereichen zur Anwendung kommen können.

Folgende Institute sind mit den jeweiligen Schwerpunkten beteiligt:

  • Fraunhofer ICT - Abriebcharakterisierung und Verfahren zur kombinatorischen Voralterung, Emissionsprognose zur Flottensimulation
  • Fraunhofer IGD - KI-gestützte Optik und Modelle zur Laufflächenanalyse und Partikelklassifizierung
  • Fraunhofer IWM - Tribologische Abriebmodelle und Konzepte zur Reibflächenentwicklung
  • Fraunhofer LBF - Abriebmaschine, Bewitterungsverfahren zur analytischen Nachverfolgung der Degradationsprozesse