Drahtlose, energieautarke Fernüberwachung von Schraubverbindungen

Schwingfestigkeit, Energieautarke Fernüberwachung

© Fraunhofer IIS

Schrauben bieten die Möglichkeit einfache, effiziente und lösbare Verbindungen zu gestalten und finden in nahezu allen technischen Bereichen des allgemeinen Maschinenbaus sowie Bauingenieurswesens Anwendung. Dabei müssen Schraubenverbindungen, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Verbindungen, eine zuverlässige Befestigung sicherstellen und sind regelmäßig zu inspizieren. Durch die permanente energieautarke und drahtlose Fernüberwachung können Veränderungen der Belastung von komplexen, verschraubten und sicherheitsrelevanten Strukturen frühzeitig erkannt, die Veränderungen bewertet und somit die Zuverlässigkeit der Strukturen wesentlich erhöht werden (digitale Vernetzung von Systemen). Anwendungen hierzu finden sich in nahezu allen technischen Bereichen, wie Offshore-Strukturen, Windenergieanlagen, Anlagen- und Maschinenbau bis hin zu Brücken und Gebäudefassaden.

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Kabellose Datenverbindung und piezoresistive DiaForce® Beschichtung
© Fraunhofer LBF
Ertragbare Beanspruchung des aktuellen Industriedemonstrators im Vergleich zu Standard-DIN-Schrauben gleicher Gewindeabmessung
© Fraunhofer IIS
Drahtlose Fernüberwachung

Intelligente Schraubenverbindung

In der ersten Projektphase „Intelligente Schraubverbindung“ des Fraunhofer Forschungszentrums IoT-COMMs (FIOT), in der die Fraunhofer-Institute IIS, IST und AISEC involviert waren, wurde eine Stand-alone-Lösung als Kombination aus Sensorik, Energieversorgung und Weitbereichs-Funkkommunikation umgesetzt. Diese ermöglicht es, einzelne Schraubverbindungen und dadurch das Verhalten von komplexen Strukturen aus der Ferne zu überwachen und bei Änderungen der mechanischen Lasten Warnmeldungen zu übermitteln.

In der aktuellen Projektphase, bei der nun das Fraunhofer LBF beteiligt ist, werden auf Basis einer Marktstudie und von Anwenderworkshops Sensorschrauben für potentielle Zielanwendungen optimiert. Hierbei obliegt dem Fraunhofer LBF, die mechanische Zuverlässigkeit der Sensorschraube hinsichtlich Schraubenanzugsmoment und Betriebsfestigkeit mit Hilfe numerischer Simulationen zu optimieren und die Sensorschraube unter Berücksichtigung der Systemkomponenten Sensorik, Funk und Energieversorgung in experimentellen Untersuchungen zu validieren.

Optimierung der mechanischen Zuverlässigkeit

Der aktuelle Schraubenkörper mit einem M18-Gewinde, der in der ersten Projektphase als Technologiedemonstrator die Funktionalität einer energieautarken Sensorschraube bestätigte, verfügt aufgrund der in den Schraubenkopf integrierten Elektronik sowie der energieautarken Lösung mittels Solarzelle oder optionalem Thermogenerator im Schaftbereich über eine im Vergleich zu einer Normschraube deutlich geringeren mechanischen Festigkeit. Diese, sowie die Schwingfestigkeit und Systemzuverlässigkeit unter Belastungsbedingungen eines späteren Einsatzes, sind nun im Fokus des Sensorschrauben-Gesamtsystems zu optimieren und für einen industriellen Einsatz zu qualifizieren.

Die Optimierung erfolgt am Fraunhofer LBF mittels einer numerischen und experimentellen Bewertung des vorliegenden Schraubenkörpers sowie des Sensorschrauben-Gesamtsystems im Vergleich zu Normschrauben gleicher Gewindeabmessung. Hierzu werden potentiell kritische lokale Beanspruchungen mittels FEM-Simulationen identifiziert und mit Ergebnissen aus Schwingfestigkeitsversuchen korreliert.

Dabei zeigten erste Untersuchungen, dass der vorliegende Schraubenkörper des Technologiedemonstrators eine signifikant reduzierte Schwingfestigkeit gegenüber einer entsprechenden Normschraube besitzt. Dies ist durch die deutlich höheren lokalen Beanspruchungen gegenüber handelsüblichen Normschrauben bedingt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurden optimierte Lösungen erarbeitet, bei denen für die Sensorschraube eine – gegenüber einer Normschraube gleicher Gewindegröße – vergleichbare lokale Beanspruchungen vorliegen, wodurch eine ähnliche Schwingfestigkeit zu erwarten ist. Zusätzlich wurden Konzepte zur Steigerung der mechanischen Zuverlässigkeit des Sensorschrauben-Gesamtsystems ausgearbeitet, die ergänzend zur Schwingfestigkeit des Schraubenkörpers auch das maximale Schraubenanzugsmoment einer solchen Schraubenverbindung hinsichtlich der integrierten Sensorik uneingeschränkt ermöglichen.

Die optimierten und innovativen Konzepte der Sensorschraube sind wichtige Bausteine in der fortschreitenden Digitalisierung von sicherheitsrelevanten Systemen und bieten, im Vergleich zu herkömmlichen Schraubenverbindung, die maximale Sicherheit gegen ein Verbindungsversagen bei gleichzeitig erheblich reduziertem Inspektionsaufwand.