SPP 2305:  Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung

• Fachliche Zuordnung: Maschinenbau und Produktionstechnik ; Bauwesen und Architektur ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441853410

Die Digitalisierung bietet enormes Potenzial für gesellschaftlich bedeutsame Innovationen, vor allem, wenn sie flächendeckend umgesetzt wird. Häufig stehen die dafür erforderlichen Daten jedoch nicht in ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung. An dieser Stelle setzt das Schwerpunktprogramm 2305 an: In nahezu jeder Maschine befinden sich in direkter Prozessnähe standardisierte Maschinenelemente, wie Schrauben, Lager und Zahnräder. Es bietet sich an, genau dort, also „in-situ“, Sensorsysteme zur Datenerfassung und ‑aufbereitung für unterschiedliche prozessrelevante Messaufgaben zu integrieren. So können zum Beispiel an einem Zahnrad integrierte Sensorsysteme verschiedene Informationen, wie zum Beispiel Drehwinkel, Beschleunigungen, Vibrationen, örtliche Temperaturen und mehr, ggf. unter Anwendung von KI-Methoden auswerten und so zum Beispiel beginnende Schäden frühzeitig identifizieren und melden. Im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms sollen die wissenschaftlichen Grundlagen für Sensorintegrierende Maschinenelemente (SiME) und deren methodisch gestützte Konzeptionierung und Systemintegration erforscht werden. Im Fokus stehen „gewöhnliche“ Maschinenelemente als standardisierte Basiselemente des Maschinenbaus, also Elemente mit definierter Gestalt und Auslegung, welche im Allgemeinen nicht weiter zerlegbar sind. Zur Zielerreichung soll zunächst die methodische Integration von Sensorsystemen in Maschinenelemente und der prinzipielle Funktionsnachweis von SiME-Prototypen im Labormaßstab erforscht werden. Sensorische und mikroelektronische Komponenten sollen unter Beibehaltung der Gestalt der Maschinenelemente bauraumneutral und ohne Beeinträchtigung der Primärfunktion in diese integriert werden. Das integrierte Sensorsystem im SiME soll Messwerte erfassen, diese mit geeigneten, updatefähigen Algorithmen verlustarm reduzieren und bei Bedarf drahtlos und zuverlässig übertragen. Die erforderliche elektrische Energie dazu soll das SiME vor Ort kabellos gewinnen („energy harvesting“). Im weiteren Verlauf des Schwerpunktprogramms steht die Systemintegration der SiME im Fokus. Hier sollen belastbare Aussagen zur Funktionszuverlässigkeit der Konzepte und Methoden gewonnen werden. Ebenso sollen die informationstechnischen Herausforderungen bei Aufbau und Betrieb der ad-hoc gebildeten Sensornetzwerke durch ein systematisch erarbeitetes, methodisches Rahmenwerk disziplin- und domänenübergreifend adressiert werden. Insbesondere sollen Konzepte zum zentralen und dezentralen Datenmanagement auf Systemebene erarbeitet und gegenübergestellt sowie die Integration der SiME in neue als auch bestehende Systeme des Maschinenbaus über definierte, vorgeplante oder dynamisch gebildete Netzwerke erforscht werden. Hinzu kommt die Erarbeitung eines methodischen Rahmenwerks für die Integration der SiME in technische Systeme sowie die Erforschung der Auswirkungen der Sensorintegration auf die Auslegungsrechnung der primären Funktion des Maschinenelements. Schließlich soll die prototypische Herstellung von SiME betrachtet werden, um Funktionsversuche auf Systemebene zu ermöglichen und um die Funktionszuverlässigkeit der SiME im System zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme

Projekte

• Auto-informative Gleitlager – Autarke, temperaturbasierte Spalthöhenermittlung zur Zustandsüberwachung in Gleitlagern (Antragsteller Gemmeke, Tobias ;  Jacobs, Georg )
• Elastische Kupplungen mit integrierten flexiblen dielektrischen Elastomersensoren (Antragsteller Schlecht, Berthold ;  Vorrath, Ernst-Friedrich Markus ;  Wallmersperger, Thomas )
• Integrierte Sensorik für intelligente Großwälzlager (ISiG) (Antragsteller Pape, Florian ;  Poll, Gerhard ;  Wurz, Marc Christopher )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Stahl, Karsten )
• Lastsensitive Zahnwelle mit sensorischem Werkstoff (Antragsteller Lohrengel, Armin ;  Maier, Hans Jürgen )
• MiMoSe - Mikroelektronischer Modulbaukasten für Sensorintegrierende Maschinenelemente (Antragsteller Kirchner, Eckhard A. ;  Krause, Dieter ;  Trieu, Hoc Khiem )
• Sensorintegrierende Passfedern zur Erfassung von Drehmomenten (Antragsteller Drossel, Welf-Guntram ;  Hasse, Alexander )
• Sensorintegrierendes Maschinenelement Radialwellendichtring zur Überwachung von Betriebszustand und Schmierstoffqualität (Antragsteller Seewig, Jörg ;  Thielen, Stefan ;  Wehn, Norbert )
• Sensorintegrierendes Zahnrad (SIZA) (Antragstellerinnen / Antragsteller Brederlow, Ralf ;  Stahl, Karsten ;  Vogel-Heuser, Birgit )
• SiSmaK - Sensorintegrierende Schrauben zur mehraxialen Kraftmessung und Ableitung einer Entwurfsmethodik für die Sensorintegration in geschlossenen zylinderförmigen Maschinenelementen (Antragsteller Hofmann, Klaus ;  Kupnik, Mario ;  Matthiesen, Sven )
• Standardisierte integrale Instrumentierung von Gasfolienlagern zur Zustands- und Betriebsüberwachung (Antragsteller Gühmann, Clemens ;  Liebich, Robert )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl