Dünnschichtsensorik Intelligente Schraubverbindung ermöglicht Langzeit-Monitoring

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Lockere Schrauben sind ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Mittels kognitiver Dünnschichtsensorik auf der Unterlegscheibe gelingt eine drahtlose, energieautarke Überwachung für ein Langzeit-Monitoring z.B. von Brücken, Gerüsten und Windkraftanlagen.

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Bei der intelligenten Schraubverbindung handelt es sich um ein vollintegriertes IoT-Device mit energieautarker und drahtloser Datenübertragung.
Bei der intelligenten Schraubverbindung handelt es sich um ein vollintegriertes IoT-Device mit energieautarker und drahtloser Datenübertragung.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Schrauben können sich trotz ausreichender Vorspannkraft selbstständig lockern. Bei tragenden Elementen, die starken mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, kann ein sicherer Betrieb dann nicht mehr garantiert werden. Das kann beispielsweise bei Brücken, Gerüsten oder Fahrgeschäften fatale Folgen haben. Je nach Anwendung gefährdet ein Abfall der Vorspannkraft einer Schraubverbindung die Betriebssicherheit einer ganzen Anlage oder bringt eine komplette Produktionsstätte zum Stillstand. Mit der im Forschungszentrum IoT-COMMs entwickelten intelligenten Schraubverbindung könnte dies rechtzeitig bemerkt werden. Sie überwacht auch schwer zugängliche Stellen und Bereiche permanent.

Sensor meldet lockere Schrauben

Ein auf die Unterlegscheibe aufgetragenes Dünnschichtsensorsystem erkennt minimale Änderungen der Vorspannkraft und übermittelt diese drahtlos an eine Kontrollinstanz.
Ein auf die Unterlegscheibe aufgetragenes Dünnschichtsensorsystem erkennt minimale Änderungen der Vorspannkraft und übermittelt diese drahtlos an eine Kontrollinstanz.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Mit dem auf der Dia-Force-Schicht des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST basierenden Dünnschichtsensorsystem lässt sich die Anzugskraft der Schraubverbindung und die Temperatur am Montageort ermitteln. Die Sensorstrukturen messen Druckeinwirkungen und Temperaturveränderungen, indem sie ihren elektrischen Widerstand ändern. Durch eine Druckveränderung kann festgestellt werden, ob sich die Schraube gelöst hat. Die Temperaturmessung ist notwendig, da eine zu hohe Umgebungs- temperatur die Messdaten beeinflussen kann. Aufgetragen wird das Dünnschichtsensorsystem auf die Unterlegscheibe. Das Besondere der am Fraunhofer IST entwickelten Unterlegscheibensensorik ist, dass die Messstellen für die lokale Bestimmung der Druck- und Temperaturverteilung kundenspezifisch auf dem Bauteil abgeschieden werden können. Dadurch kann die Sensorik individuell an die einzelnen Wünsche und Anforderungen der Kunden angepasst werden.

Drahtlose, sichere Datenübertragung

Mithilfe der drahtlosen Übertragungstechnologie Mioty des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS werden vom Sensorsystem regelmäßig Messwerte an eine Cloud-gebundene Kontrollinstanz übertragen. Durch die Mioty-LPWAN-Technologie können die Daten über eine Reichweite von mehreren Kilometern und mit großer Übertragungs- sicherheit gesendet werden.

Zudem werden die Schrauben vor dem Montieren in der manipulationssicheren Programmiereinheit Funkey Box des Fraunhofer-Instituts für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC konfiguriert und bekommen einen eigenen Schlüssel. Dadurch sind die Sen-sordaten bei der Übertragung an die Basisstation bzw. das Backend verschlüsselt und damit vor Angriffen geschützt.

Autarke Energieversorgung

Durch die Energy-Harvesting-Technologie des Fraunhofer IIS kommt die Schraubverbindung ohne externe Energieversorgung aus. In der Schraubverbindung befindet sich ein Thermogenerator, der bei kleinsten Wärmeeinwirkungen über das Schraubgewinde elektrische Energie erzeugt und so den Sensor energieautark betreibt. Alternativ können Sensor und Funk auch durch eine Solarzelle oder Batterie betrieben werden.

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