Produktentwicklung mit sensorintegrierenden Maschinenelementen - Beherrschung der Unsicherheit von in-situ erfassten Daten im mechatronischen System
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die voranschreitende Digitalisierung unserer Zeit ist gleichermaßen bei Produkten und Prozessen des Maschinenbaus zu beobachten. Von Regelungsaufgaben über Zustandsüberwachungen bis hin zu vorausschauenden Wartungskonzepten helfen digitale Ansätze und führen schließlich beispielsweise zu neuartigen Kundenfunktionen, einer gesteigerten Kundenzufriedenheit, einer allgemein höheren Produktivität von Unternehmen sowie einer verbesserten Nachhaltigkeit von Produkten und Prozessen. Um die Digitalisierung im Maschinenbau zielgerichtet umsetzen zu können, werden als ein Grundpfeiler Zustandsdaten über das betrachtete Produkt bzw. den betrachteten Prozess in ausreichender Qualität und Quantität vorausgesetzt. Zur Erfassung dieser Daten werden laufend innovative Sensorlösungen entwickelt und in der Praxis umgesetzt, wobei allgemein eine möglichst prozessnahe – eine sogenannte in-situ – Sensorplatzierung angestrebt wird, um die mit der Messung einhergehende Unsicherheit in einem beherrschbaren Maß zu halten. Werden nun Sensorlösungen in ein technisches System auf rotierenden Elementen platziert, wie z. B. einer Getriebewelle, ergeben sich Herausforderungen bezüglich einer geeigneten Energieversorgung der Sensor- und Hilfselemente sowie der Signalleitung aus dem technischen System heraus zur Auswerteeinheit. Bei einer Sensorintegration auf rotierenden Elementen sowie bei der Nutzung sensierender Konstruktionselemente bietet sich als potentielle Lösung eine strukturintegrierte Energieversorgung und Signalleitung über die Maschinenstruktur an. Dieser bisher nicht systematisch untersuchter Ansatz der strukturintegrierten Energieversorgung und Signalleitung ist Untersuchungsgegenstand des vorliegenden Forschungsprojekts und wurde in den vergangenen 3,5 Jahren im Sinne der Grundlagenforschung bearbeitet. Dabei wird systematisch untersucht, welche Eigenschaften elektrische Pfade über die Struktur eines technischen Systems und welchen Einfluss Stör- und Betriebsgrößen auf diese aufweisen. Die im Rahmen des Forschungsprojekts erzielten Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf das Signalübertragungsverhalten von Schleifkontakten sowie von Wälzlagern als Signalübertragungselement von einem rotierenden auf ein stationäres System sowie zum Signalübertragungsverhalten von Schrägverzahnungen zu. Auch können Aussagen über vorherrschende Störkapazitäten in einem Industriegetriebe als betrachtetes technisches System getätigt werden. Aus dem Forschungsprojekt können unmittelbar Erkenntnisse und Erfahrungen auf parallellaufende Forschungsprojekte des Antragstellers übertragen werden. Weiterhin ergeben sich interessante weiterführende Forschungsfragen, z. B. in Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften von Schrägverzahnungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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DEVELOPMENT OF A GENERAL SENSOR SYSTEM MODEL TO DESCRIBE THE FUNCTIONALITY AND THE UNCERTAINTY OF SENSING MACHINE ELEMENTS. Proceedings of the Design Society, 1, 1243-1252.
Hausmann, Maximilian; Welzbacher, Peter & Kirchner, Eckhard
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Managing the uncertainty in data-acquisition by in situ measurements: a review and evaluation of sensing machine element-approaches in the context of digital twins. International Journal of Product Lifecycle Management, 13(1), 48.
Hausmann, Maximilian; Koch, Yanik & Kirchner, Eckhard
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Methods for In Situ Sensor Integration. Design Methodology for Future Products, 145-163. Springer International Publishing.
Hausmann, Maximilian; Kirchner, Eckhard; Vorwerk-Handing, Gunnar & Welzbacher, Peter
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Sensorische Maschinenelemente sind Bausteine für die Digitalisierung. Konstruktion, 73(09), 28-32.
Kirchner, E.; Geis, J.; Hausmann, M.; Schmitt, F.; Großkurth, D. & Hofmann, K.
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A Procedure Model for the Systematic Sensor Selection and Integration into Technical Systems. Proceedings of the Design Society, 2, 445-454.
Hausmann, M.; Häfner, L. & Kirchner, E.
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Sensory Utilizable Design Elements: Classifications, Applications and Challenges. Applied Mechanics, 3(1), 160-173.
Harder, André; Hausmann, Maximilian; Kraus, Benjamin; Kirchner, Eckhard & Hasse, Alexander
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Analysis of the Electrical Impedance of Graphite and Silver Graphite Carbon Brushes for Use in the Impedance Measurement of Sensory Utilizable Machine Elements. Machines, 11(11), 1009.
Hausmann, Maximilian; Schirra, Tobias & Kirchner, Eckhard
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Analyzing the Electrical Transmission Behaviour of Rolling Element Bearings. 77th STLE Annual Meeting & Exhibition, May 21st – 25th 2023, Long Beach, California, USA, 2023. Präsentation
Hausmann, M.; Liehr, P. & Kirchner, E.
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Investigation of the electrical impedance of the gear mesh of helical gears in an industrial gearbox. 10th International VDI Conference on Gears 2023, September 13th – 15th 2023, Garching, Germany. In: International Conference on Gears 2023, VDI-Berichte 2422, 1173-1179, ISBN 978-3-18-092422-9, 2023. Präsentation, Poster und Proceedings-Beitrag
Hausmann, M. & Kirchner, E.
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Measurement of Electrical Impedance of Graphite and Silver Graphite Carbon Brushes. 2023. Forschungsdaten. Open Access
Hausmann, M.; Schirra, T. & Kirchner, E.
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Systematic approaches for sensor selection and integration – A systematic literature review. Procedia CIRP, 119, 687-692.
Hausmann, Maximilian; Breimann, Richard; Fett, Michel; Kraus, Benjamin; Schmitt, Florian; Welzbacher, Peter & Kirchner, Eckhard
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Systematic identification of disturbance factors on electric characteristics of mechanical gearboxes. Forschung im Ingenieurwesen, 87(1), 399-410.
Becker-Dombrowsky, Florian Michael; Hausmann, Maximilian; Welzbacher, Peter; Harder, André & Kirchner, Eckhard
