Der Abfall der Vorspannkraft kann bei tragenden Elementen, die starken mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind, gravierende Folgen haben. Ein sicherer Betrieb kann dann nicht mehr garantiert werden. Daher sollte eine intelligente Schraubverbindung als komplett integriertes IoT-Gerät zur energieautarken, drahtlosen, manipulationssicheren Überwachung entwickelt werden.
Am Fraunhofer IST wurde ein Dünnschichtsystem zur Kraft- und Temperaturmessung auf die Oberfläche von Unterlegscheiben abgeschieden, welches in Schraubverbindungen integriert und mit drahtloser Übertragungstechnologie sowie Energy Harvesting Technologien kombiniert wurde. Für den Aufbau des Dünnschichtsystems wird zunächst in einem PACVD-Prozess die am Institut entwickelte piezoresistive DiaForce®-Schicht homogen auf der Scheibe abgeschieden. Anschließend werden einzelne Elektrodenstrukturen aus Chrom gefertigt, welche die Sensorflächen zur Belastungsmessung sowie eine Struktur zur Temperaturkompensation bilden. Auf einer darauf folgenden elektrisch isolierenden SICON®-Zwischenschicht, eine mit Silizium und Sauerstoff modifizierte Kohlenwasserstoffschicht, werden sowohl Leiterbahnen zu den Kontaktierungspunkten als auch eine temperaturmessende Mäanderstruktur aus Chrom strukturiert. Diese Strukturen werden mit einer zweiten abschließenden SICON®-Schicht vor Verschleiß geschützt. Die Gesamtdicke des Systems beträgt ca. 10 µm.
Mit der »Intelligenten Schraubverbindung Q-Bo®« wird eine drahtlose, energieautarke Überwachung der Vorspannkraft mit Hilfe eines nachrüstbaren Sensorsystems für DIN-Schrauben während der Montage und des Betriebs möglich. Abweichungen können so per Fernwartung sofort erkannt und Ausfall- bzw. Instandhaltungszeiten vermieden werden – eine lückenlose Kontrolle kritischer Schraubverbindungen.
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST