SiSmaK 2 - Sensorintegrierende Schrauben zur mehraxialen Kraftmessung und Anwendung einer Entwurfsmethodik für die Sensorintegration in zylinderförmigen Maschinenelementen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Hofmann; Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Sven Matthiesen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551302077

Für die flächendeckende Erfassung von aussagekräftigen Prozessdaten sind standardisierte Maschinenelemente ideale Messpunkte. Besonders Schrauben sind als weit verbreitetes Verbindungselement geeignet, um Belastungen in Maschinen zu erfassen, da sie sich direkt im Kraftfluss befinden. Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogrammes 2305 wird im Teilprojekt SiSmaK eine Schraube mit integrierter, mehraxialer Kraftmessung entwickelt. Für den autonomen Betrieb ist dabei eine volle Integration der Elektronik vorgesehen. Es wird eine Methodik zur Sensorintegration in zylindrische Maschinenelemente abgeleitet. Zunächst soll ein Nachweis der Funktionszuverlässigkeit für die sensorintegrierende Schraube zur mehraxialen Kraftmessung über die gesamte Lebenszeit erbracht werden. Dazu gehört die Entwicklung einer Methode zur Kalibrierung mehraxialer Kraftsensoren mit großen Arbeitsbereichen, sowie die Zuverlässigkeitsbewertung des mechatronischen Gesamtsystems. Für die Bewertung sollen zunächst relevante Umgebungsbedingungen und allgemeine Anforderungen identifiziert werden und in standardisierbaren Tests abgebildet werden. Neben dem Erhalt der mechanischen Schnittstellen muss auch die Robustheit im Feldeinsatz gewährleistet werden. Dazu soll die Schraube vollständig verkapselt werden. Für die Energie- und Datenübertragung sollen dabei elektro-magnetische sowie akustische Prinzipien eingesetzt werden und Methoden zur Übertragung von Energie und Daten durch Stahl erforscht werden, die sich auf sämtliche verkapselte Elektronik übertragen lässt und einen autonomen Betrieb des Sensorsystems ermöglicht. Mit bekannten Echtzeit-Daten zum Lastzustand lassen sich Schraubverbindungen schon ab der Montage optimieren. Die Nachteile gängiger drehmomentgesteuerter Anzugsverfahren können ausgehebelt werden, indem die Unsicherheit der erreichten Vorspannkraft und die einhergehende Überdimensionierung verringert wird. Im Projekt wird dieses Potenzial durch eine neuartige informationstechnische Kopplung zwischen der sensorintegrierenden Schraube und einem Montagewerkzeug gehoben. Im Rahmen des übergeordneten Schwerpunktprogrammes wird die Vernetzung unterschiedlichster sensorintegrierender Maschinenelemente in einer IIoT Struktur untersucht. Die gemeinsam erarbeiteten Protokolle und Schnittstellen sollen im Rahmen des Projektes in einem Gateway für die dort neu entwickelten Datenübertragungstechnologie integriert werden. Die im Forschungsvorhaben entwickelte Entwurfsmethodik ist neben der Schraube ebenfalls auf die mechatronischen Problemstellungen anderer zylindrischen Maschinenelemente übertragbar. Dazu gehört die Identifikation des Designraums, Gestaltung des Sensors, Integration der Elektronik, sowie die Energie- und Datenübertragung durch Stahl.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung