Intelligente Schraubverbindung – Fraunhofer CCIT stellt drahtlose und energieautarke Monitoringlösung vor

Presseinformation / 21. Oktober 2020

Nürnberg: Lockere Schrauben an wichtigen Verbindungsstellen sind ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Das Forschungszentrum IoT-COMMs – Teil des Fraunhofer-Clusters of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT – hat eine intelligente Schraubverbindung entwickelt, die eine drahtlose, energieautarke Überwachung ermöglicht. Dabei misst ein Dünnschichtsensor die Krafteinwirkungen auf die Schraubverbindung und Veränderungen der Umgebungstemperatur am Montageort. Die Schraube überträgt über das standardisierte mioty®-Funkprotokoll regelmäßig Belastungsdaten zur Kontrolle. Ziel ist die Realisierung einer energieautarken Überwachung von Strukturen wie z.B. Brücken, Gerüsten, Windkraftanlagen in einem permanenten Langzeit-Monitoring. Die Lösung wird zu den Fraunhofer Solution Days vom 26.–29. Oktober 2020 erstmalig vorgestellt.

Bei der intelligenten Schraubverbindung handelt es sich um ein vollintegriertes IoT-Device mit energieautarker und drahtloser Datenübertragung.
© Fraunhofer IIS
Bei der intelligenten Schraubverbindung handelt es sich um ein vollintegriertes IoT-Device mit energieautarker und drahtloser Datenübertragung.
Ein in der Schraube integriertes Dünnschichtsensorsystem erkennt minimale Änderungen der Vorspannkraft und übermittelt diese drahtlos an eine Kontrollinstanz.
© Fraunhofer IIS
Ein in der Schraube integriertes Dünnschichtsensorsystem erkennt minimale Änderungen der Vorspannkraft und übermittelt diese drahtlos an eine Kontrollinstanz.

Schrauben können sich trotz ausreichender Vorspannkraft selbstständig lockern. Bei tragenden Elementen, die starken mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, kann ein sicherer Betrieb dann nicht mehr garantiert werden. Das kann beispielsweise bei Brücken, Gerüsten oder Fahrgeschäften fatale Folgen haben. Je nach Anwendung gefährdet ein Abfall der Vorspannkraft einer Schraubverbindung die Betriebssicherheit einer ganzen Anlage oder bringt eine komplette Produktionsstätte zum Stillstand. Mit der im Forschungszentrum IoT-COMMs entwickelten intelligenten Schraubverbindung könnte dies rechtzeitig bemerkt werden. Sie überwacht auch schwer zugängliche Stellen und Bereiche permanent.

Sensor meldet lockere Schrauben

Mit dem auf der DiaForce®-Schicht des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST basierenden Dünnschichtsensorsystem lässt sich die Anzugskraft der Schraubverbindung und die Temperatur am Montageort ermitteln. Die Sensorstrukturen messen Druckeinwirkungen und Temperaturveränderungen, indem sie ihren elektrischen Widerstand ändern. Durch eine Druckveränderung kann festgestellt werden, ob sich die Schraube gelöst hat. Die Temperaturmessung ist notwendig, da eine zu hohe Umgebungstemperatur die Messdaten beeinflussen kann.

Drahtlose, sichere Datenübertragung mit mioty®

Mithilfe der drahtlosen Übertragungstechnologie mioty® werden vom Sensorsystem regelmäßig Messwerte an eine Cloud-gebundene Kontrollinstanz übertragen. Durch die mioty®-LPWAN-Technologie können die Daten über eine Reichweite von mehreren Kilometern und mit großer Übertragungssicherheit gesendet werden. Zudem werden die Schrauben vor dem Montieren in der manipulationssicheren Programmiereinheit »FunkeyBox« des Fraunhofer-Instituts für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC konfiguriert und bekommen einen eigenen Schlüssel. Dadurch sind die Sensordaten bei der Übertragung an die Basisstation bzw. das Backend angriffssicher.

Besonderes Plus: Autarke Energieversorgung durch Energy Harvesting

Durch die Energy Harvesting-Technologie des Fraunhofer IIS kommt die Schraubverbindung ohne externe Energieversorgung aus. In der Schraubverbindung befindet sich ein Thermogenerator, der bei kleinsten Wärmeeinwirkungen über das Schraubgewinde elektrische Energie erzeugt und so den Sensor energieautark betreibt. Alternativ können Sensor und Funk durch eine Solarzelle oder Batterie betrieben werden.

Fraunhofer Solution Days 2020
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Fraunhofer Solution Days 2020

Diese Lösung wird im Rahmen des Fraunhofer-Forschungszentrums IoT-COMMs in Zusammenarbeit der Fraunhofer-Institute IIS, IST und AISEC entwickelt. Das FIoT-COMMs ist ein Teil der Clusterinitiative CCIT (Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies) der Fraunhofer-Gesellschaft. Im Rahmen der Fraunhofer Solution Days vom 26. - 29. Oktober 2020 wird diese Lösung vorgestellt.

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