Technologie

Schrauben mit Sensor und Funkmodul

03.05.2022 - Intelligente Schraubverbindungen erlauben eine zuverlässige Fernüberwachung.

Schrauben finden sich fast überall. An Kränen, Baugerüsten, Hochhäusern, Brücken, Windkraft­anlagen, in Produktions­anlagen, an kleinen und großen Maschinen. Doch Verschleiß und Einflüsse wie Temperatur­schwankungen oder Schwingungen können dazu führen, dass eine oder mehrere Schrauben sich lockern oder gar ganz lösen. Das kann fatale Folgen haben. Bei sicherheits­kritischen Strukturen ist deshalb eine regelmäßige Inspektion erforderlich. Jetzt hat ein Forschenden-Team des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT eine intelligente Schraub­verbindung entwickelt, in der eine Kombination aus Sensorik und Funktechnik die 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 DiaForce-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 Peter Spies, Projektleiter 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 hundert 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.

„Mit diesem System der Fern­überwachung ist es erstmals möglich, die Stabilität von sicherheits­kritischen Infra­strukturen auch aus der Entfernung jederzeit im Auge zu behalten und dabei wirklich jede einzelne relevante Schraube zu checken. Das ist ein bedeutendes Plus an Sicherheit. Bei der Inspektion einer Brücke oder Windkraft­anlage muss auch kein Techniker alle Schrauben einzeln überprüfen und vor Ort sein, da alle Daten per Funk an die Servicestation übertragen werden“, sagt Spies. Die intelli­genten Schraub­verbindungen lassen sich an ganz unter­schiedliche Anwendungen anpassen. Egal, ob für Flansch­verbindungen in der Industrie, die Bolzen in Stahlträgern an Hochhäusern, die tragenden Teile von Brücken oder die Befestigung von Rotoren an Windkraftanlagen – für jedes Szenario lässt sich das System individuell konfigurieren und auf das jeweilige Belastungs­profil abstimmen.

Auch das Problem des Energie­bedarfs haben die Forschenden ressourcen­schonend gelöst. Das System nutzt Wärme oder Licht zur Stromerzeugung. So erzeugt in dem System beispielsweise ein Thermo­generator Strom aus den winzigen Temperatur­unterschieden zwischen dem Schraubenkopf und der Umgebung. Es wäre ebenso möglich, den Strom durch Solarzellen zu generieren. Besonderen Wert legen die Forschenden auf die Sicherheit. Bei der Installation wird jede einzelne Schraube samt Sensor­einheit und Funkmodul in eine abhörsichere Inbetrieb­nahme-Box gelegt. Über den Kurzstrecken­funk RFID erhält sie eine individuelle ID und ihr Anforderungs­profil sowie einen individuellen Verschlüsselungs­code. Zudem ist die Funkstrecke bei der Daten­übertragung von den Schrauben zur Basisstation verschlüsselt. „So verhindern wir, dass Kriminelle oder Hacker das System sabotieren können. Das Technik­personal, das beispielsweise eine Windkraft­anlage überwacht, kann sich auf die Daten wirklich verlassen“, sagt Spies.

FhG / JOL

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