Intelligente Schraubverbindung – Drahtlose und energieautarke Monitoringlösung

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.

Herausforderung 

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 Schraubverbindung als komplett integriertes IoT-Gerät zur energieautarken, drahtlosen, manipulationssicheren Überwachung entwickelt werden.

Lösung 

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. Das Dünnschichtsystem wird aufgebaut aus der piezoresistiven DiaForce®-Schicht sowie der elektrisch isolierenden und verschleißfesten SiCON®-Schicht. Diese werden im PACVD-Verfahren abgeschieden. Dazwischen werden Sensorstrukturen aus Chrom mittels Mikrostrukturierung gefertigt. Die Gesamtdicke des Systems beträgt ca. 10 µm.

Mehrwert 

Es konnte ein erster Demonstrator eines vollintegrierten IoT-Devices entwickelt werden, das eine drahtlose und energieautarke Überwachung von Schraubverbindungen ermöglicht. In einem Folgeprojekt wird mittels eines neuen Mechanikkonzepts die Verwendung von DIN-Schrauben und potentiell von Bolzenverbindungen ermöglicht. Evaluation-Kits können interessierten Anwendern zur Verfügung gestellt werden. 

Sensorische Unterlegscheibe.
© Fraunhofer IST
Sensorische Unterlegscheibe.
Schematische Darstellung des multifunktionalen Schichtsystems.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg
Schematische Darstellung des multifunktionalen Schichtsystems.

Weitere Informationen

 

Interview

In diesem Interview werden die wichtigsten Fragen zur »Intelligenten Schraubverbindung« beantwortet, zum Beispiel welche Technologien zum Einsatz kommen, worin die Vorteile ihres Einsatzes bestehen und welche Anwendungen in Frage kommen:

 

Projektwebsite

Förderhinweis

Diese Lösung wird im Rahmen des Fraunhofer-Forschungszentrums IoT-COMMs in Zusammenarbeit der Fraunhofer-Institute IIS, IST und AISEC entwickelt. Das FIoTCOMMs ist ein Teil der Clusterinitiative CCIT (Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies) der Fraunhofer-Gesellschaft.