Monitoring-Lösung für Schraubverbindungen

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

08.12.2020 Monitoring-Lösung für Schraubverbindungen

Die intelligente Schraubverbindung, die das Forschungszentrum IoT-COMMs – Teil des Fraunhofer-Clusters of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT – entwickelt hat, erlaubt eine drahtlose, energie-autarke Überwachung von Schraubverbindungen.

Diese Lösung wird im Rahmen des Fraunhofer-Forschungszentrums IoT-COMMs in Zusammenarbeit der Fraunhofer-Institute IIS, IST und AISEC entwickelt. Dabei misst ein Dünnschichtsensor Krafteinwirkungen auf die Schraubverbindung und Veränderungen der Umgebungstemperatur am Montageort. Die Schraube überträgt über das standardisierte mioty®-Funkprotokoll regelmäßig Belastungsdaten zur Kontrolle. Ziel ist die Realisierung einer energieautarken Überwachung von Strukturen wie z.B. Windkraftanlagen in einem permanenten Langzeit-Monitoring.  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. Je nach Anwendung gefährdet ein Abfall der Vorspannkraft einer Schraubverbindung die Betriebssicherheit einer ganzen Anlage oder bringt eine komplette Produktionsstätte zum Stillstand. Mit der auf der DiaForce®-Schicht des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST basierenden Dünnschichtsensorsystem lassen 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 Umgebungstemperatur die Messdaten beeinflussen kann.

Mithilfe der drahtlosen Übertragungstechnologie mioty® 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 Übertragungssicherheit gesendet werden. Zudem werden die Schrauben vor dem Montieren in der manipulationssicheren Programmiereinheit »FunkeyBox« des Fraunhofer-Instituts für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC konfiguriert und bekommen einen eigenen Schlüssel. Dadurch sind die Sensordaten bei der Übertragung an die Basisstation bzw. das Backend verschlüsselt und damit vor Angriffen geschützt.

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 durch eine Solarzelle oder Batterie betrieben werden.