Intelligente Schrauben …
… sichern zukünftig Brücken, Maschinen und Windkraftanlagen.
Schraubverbindungen an kritischen Infrastrukturen sind hohen Belastungen ausgesetzt und müssen daher regelmäßig überprüft werden. Forschende des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT haben nun eine Technologie entwickelt, die in der Kombination aus Sensorik und Funktechnik eine zuverlässige Fernüberwachung der Schraubverbindungen ermöglicht – und das auch noch energieautark.
In der Intelligenten Schraubverbindung wird eine Schraube mit einer Unterlegscheibe versehen, die mit einer piezoresistiven Diaforce-Dünnschicht ausgestattet ist. Deren druckempfindliche Sensorik registriert an drei Stellen die Vorspannkraft, die beim Anziehen der Schraube entsteht. Ändert sich die Vorspannkraft, ändert sich auch der elektrische Widerstand in der Dünnschicht.
„Wenn sich eine Schraube löst, wird die daraus resultierende Änderung des Widerstands an ein Funkmodul gemeldet, das auf dem Schraubenkopf sitzt. Das Funkmodul wiederum sendet die Daten an eine Basisstation, die die Infos aller relevanten Schrauben des jeweiligen Objekts einsammelt“, erklärt Dr. Peter Spies, Projektleiter und Gruppenleiter Integrierte Energieversorgungen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS.
Die Diaforce-Dünnschicht wurde vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelt. Für die Funktechnik hat das Fraunhofer IIS das Funkprotokoll mioty (Low Power Wide Area Network – LPWAN) beigesteuert. Diese Technologie ist in der Lage, kleine Datenmengen bei niedrigstem Energieverbrauch über große Entfernungen zu schicken, und zwar von mehr als hunderttausend Sensoren über nur eine Basisstation.
Die Basisstation könnte am Rande eines Windparks, also in mehreren 100 Metern oder gar einigen Kilometern Entfernung stehen. Anschließend zeigt eine Software die Daten jeder einzelnen Schraube in einer grafischen Übersicht an. Je nach Konfiguration und Anwendungsfall wird der Status der Schraubverbindungen permanent, eventbasiert oder in festgelegten Zeitabständen übertragen.
Die Technik ist für handelsübliche DIN-Schrauben konzipiert. Einsatzbereit ist das System für Schrauben der Größe M18, demnächst werden auch Varianten für M20 und M36 verfügbar sein. Ein Demonstrator wird auf der Hannover Messe 2022 von 30. Mai bis 2. Juni gezeigt (Halle 5, Stand A06).
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