Ziel der Entwicklung
Eine Schraube verbindet mindestens zwei Bauteile kraftschlüssig. Die Haltbarkeit und Festigkeit werden durch Umwelteinflüsse und voneinander abhängigen Kräften wie Vorspannkraft und Betriebskraft beeinflusst. Schraubverbindungen spielen somit eine übergeordnete Rolle zur Sicherung der Funktionsfähigkeit und unterliegen oft großen Belastungen. Zur Überprüfung dieser Verbindungen sind bisher Sichtprüfungen oder der turnusmäßige Austausch der Bauteile an der Tagesordnung. Umso notwendiger ist es, ein optimales Monitoring bereits in der Planungsphase zu betrachten, damit der Inspektionsaufwand und - umfang minimiert werden kann. Vor allem bei der Überwachung von Befestigungssystemen in der Windkraftindustrie, Bahnanlagen, Luftfahrzeugen oder Pipelines sind solche Konzepte sehr gefragt. Ziel des Projektes war somit die Entwicklung eines hochempfindlichen Sensormoduls auf Basis einer MEMS-Technologieplattform, welches die Vorspannkraft und die Betriebskraft sowie ihre zeitliche Änderung an den Schraubverbindungen bestimmt. Der Begriff MEMS bezeichnet hier ein mikroelektromechanisches System.
Vorteile und Lösungen
Das Sensormodul besteht aus miniaturisierten, querempfindlichkeitsarmen Dehnungssensoren mit hoher Empfindlichkeit. Diese sind als Wheatstonesche Messbrücke angeordnet und werden über einen Montageträger direkt auf den Schraubenkopf montiert. Die Elektroniken für die Energieversorgung, Messwertaufnahme und –verarbeitung, sowie die Schnittstellen zur Ausgabe des Messsignals sind über das Sensormodul variabel angekoppelt. Ein optimales Packaging garantiert eine hermetisch dichte Verkapselung. Universelle Schnittstellen gewährleisten, dass die Messsignalverarbeitung und –ausgabe in das Messsystem des Anwenders integrierbar ist. Damit kann der Nutzer den Messzyklus in Abhängigkeit der Rahmenbedingungen vor Ort, wie beispielweise die Energieautarkheit und die Erreichbarkeit durch Fachpersonal flexibel gestalten, wodurch größere Wartungsintervalle sowie die Möglichkeit der Ferndiagnose erzielt werden können.
Zielgruppe und Zielmarkt
Für die in diesem Projekt zu entwickelnden Technologien beziehungsweise Sensor ist als ein möglicher Markt nur die Anwendung im Bereich der Industrie beziehungsweise in der Forschung und Entwicklung zu nennen. Eine Anwendung im Bereich des Konsumenten ist nicht ersichtlich. Die Endkundenmärkte liegen im Bereich der industriellen Messtechnik, der Öl- und Gasindustrie, der Windkraftindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Hoch-, Tief-, Brücken-, Gleis- und Schiffsbau. Die generellen Trends in diesem Bereich wie beispielweise ein zunehmender Automatisierungsgrad sowie eine erhöhte Langzeitzuverlässigkeit erfordern genau die Innovationspotentiale, die durch die Projektziele gehoben werden sollen. Als potentielle Kunden kommen Hersteller von Messsystemen und Dienstleister im Inspektionsbereich für die genannten Branchen in Frage. Da Dienstleister meist eigene zertifizierte Wartungssoftware nutzen, können die im Projekt realisierten Prototypen für Hersteller von Messsystemen im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT-Plattformen) problemlos integriert werden. Je nach Kundenwunsch können Komponenten vom CiS Forschungsinstitut gefertigt werden. Als verwertbare Projektergebnisse können ein weiterführendes Know-how zum Glaslot-Bondprozess sowie zum Kleben, Sintern und Schweißen als Verbindungstechnologie genannt werden. Zudem existiert ein umfangreiches Messplatzequipment zur manuellen und rechnerunterstützten kontinuierlichen Durchführung von Messroutinen an Schraubverbindungen bis zur Kategorie M48 und Kräften bis 200 Kilonewton beziehungsweise 700 Kilonewton für Charakterisierungs- und Kalibrierdienstleistungen intern und gegenüber Dritten. Abschließend konnte die Technologieplattform, bestehend aus einzelnen Modulen zur Ermittlung der Vorspann- und Betriebskraft inklusive der Datenübertragung, erfolgreich entwickelt werden. Bereits während der Projektbearbeitung zeigten Industrieunternehmen großes Interesse an einer Zusammenarbeit für geeignete Systementwicklungen im Rahmen anwendbarer Messsysteme an Schraubverbindungen.
