Drahtlose, energieautarke Fernüberwachung von Schraubverbindungen

Konstruktive Optimierung einer intelligenten Schraubverbindung und zuverlässige Auslegung gegenüber Betriebsbeanspruchungen

© Fraunhofer CCIT
Intelligente Schraubverbindung mit aufsetzbarem Zusatzmodul (links) oder als geschlossenes Gesamtsystem (rechts)

Eine regelmäßige Überwachung von funktions- und sicherheitsrelevanten Schraubverbindungen ist in vielen Anwendungsfällen zwingend erforderlich, oft jedoch nur mit hohem Zeit- und Kostenaufwand möglich. Mit der intelligenten Schraubverbindung des Fraunhofer Clusters CCIT ist ein völlig neues Condition / Structural Health Monitoring verfügbar, welches es ermöglicht, die Überwachung einer Schraubverbindung energieautark, drahtlos und in einem zeitlich adaptiven Rhythmus oder on-demand zu realisieren. Das System arbeitet mit handelsüblichen DIN-Schrauben, speist sich mit Energy Harvesting und verfügt über eine energieeffiziente und sichere Datenkommunikation.

Intelligente Schraubverbindung

Genormte Schraubverbindungen werden in nahezu allen Bereichen des Maschinenbaus und Bauingenieurswesen eingesetzt und bieten die Möglichkeit einfache, effiziente und lösbare Verbindungen zu gestalten. Dabei gilt es, insbesondere im Fall von funktions- und sicherheitsrelevanten Verbindungen, eine zuverlässige Befestigung zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden solche Verbindungen in routinemäßigen Wartungsintervallen auf Sicht oder mittels Drehmomentschlüssel überprüft. Diese führen, insbesondere in Anwendungsfällen wie Offshore-Windkraftanlagen, zu hohen Wartungskosten während des Betriebs. Dazukommend werden keine Informationen über die tatsächlich anliegende Vorspannkraft ermittelt.

Durch die am Fraunhofer Clusters CCIT entwickelte intelligente Schraubverbindung können vorliegende Vorspannkräfte dank integrierter Kraft- und Temperatursensorik überwacht werden. Änderungen der Vorspannkraft können in einem zeitlich adaptiven Rhythmus oder on-demand drahtlos und verschlüsselt über größere Distanzen sicher übermittelt werden. Dabei kann sich die intelligente Schraubverbindung durch einen integrierten Thermogenerator bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen Schraubengewinde und Umgebungstemperatur selbst mit Energie versorgen. Alternativ ist ein Batterie- oder Solarbetrieb möglich. Eine weitere Besonderheit ist, dass bei der intelligenten Schraubverbindung handelsübliche DIN-Schrauben verwendet werden können, wodurch das System nicht für jeden einzelnen Einsatz qualifiziert bzw. zertifiziert werden muss.

Das Fraunhofer IST entwickelte ein multifunktionales Dünnschichtsensorsystem, dessen Basis die piezoresistive DiaForce®-Schicht bildet und in der intelligenten Schraubverbindung integriert ist. Dieses beinhaltet unter 120 Grad angeordneten Kraftsensorstrukturen, temperaturkompensierende Strukturen und eine Chrommäanderstruktur zur Temperaturmessung, wie in Bild 1 gezeigt wird. Durch Krafteinwirkung auf die Schicht werden elektrische Widerstandsänderungen gemessen, welche anschließend mit der Hilfe von Widerstands-Kraft-Kennlinien (siehe Bild 2) zur Kraftermittlung verwendet werden.

© Fraunhofer IST
Bild 1: DiaForce®-Dünnschichtsensorsystem (links) integriert in das Unterlegscheibensystem der intelligenten Schraubverbindung (rechts

Die verschiedenen Energiemanagement-Systeme und das Montagekonzept für die energieautarke Version der intelligenten Schraubverbindung wurden am Fraunhofer IIS entwickelt. Als Kommunikationstechnologie wird ein LPWAN-Funkprotokoll verwendet, das auf der mioty®-Technologie basiert – ebenfalls vom Fraunhofer IIS. Dadurch können Sensordaten mit hoher Robustheit, geringsten Energiemengen und bis zu Faktor 10 höheren Reichweiten gegenüber Standard-Funksystemen übertragen werden.

Innerhalb des Fraunhofer Clusters CCIT entwickelte das Fraunhofer LBF das Mechanikkonzept, welches die Verwendung von handelsüblichen DIN-Schrauben ermöglicht. Mittels FEM-Analysen wurde das Design im Bereich der Sensoren auf Basis lokaler Spannungsverteilungen konstruktiv optimiert. Zudem erfolgte eine Charakterisierung der Sensorik, wobei Widerstands-Kraft-Kennlinien ermittelt wurden. Im Rahmen von Belastungsszenarien wurden die Funktion und Zuverlässigkeit der Sensorik validiert. Erste Schwingfestigkeitsversuche mit dem Gesamtsystem der intelligenten Schraubverbindung lassen erwarten, dass ein zuverlässiger Betriebseinsatz sowohl hinsichtlich der mechanischen Beanspruchbarkeit als auch der Datenübertragung gewährleistet ist.

© Fraunhofer LBF

Das innovative Konzept der intelligente Schraubverbindung leistet einen wichtigen Baustein in der fortschreitenden Digitalisierung von sicherheitsrelevanten Systemen und bietet, im Vergleich zu herkömmlichen Schraubverbindungen, maximale Sicherheit gegen ein Verbindungsversagen bei gleichzeitig erheblich reduziertem Inspektionsaufwand.

Kundennutzen

Durch 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). Durch die Verwendung kommerziell verfügbarer DIN-Schrauben lässt sich dieses System auch nachträglich in bereits ausgeführte Schraubverbindungen nachrüsten. Anwendungen hierzu finden sich in nahezu allen technischen Bereichen, wie Offshore-Strukturen, Windenergieanlagen, in Bereichen des Anlagen- und Maschinenbaus bis hin zu Brücken und Gebäudefassaden. 

© Fraunhofer IIS