Intelligente Schrauben sichern Brücken, Maschinen und Windkraftanlagen

Werkstoffe 07. 06. 2022
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Schraubverbindungen an kritischen Infrastrukturen sind hohen Belastungen ausgesetzt und müssen daher regelmäßig überprüft werden. Forschende des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT haben nun eine Technologie entwickelt, mit der die Stabilität der Schraubverbindungen jederzeit per Fernüberwachung kontrolliert werden kann. Das erhöht die Sicherheit und senkt den Aufwand für Inspektionen.

Schrauben finden sich fast überall. An Kränen, Baugerüsten, Hochhäusern, Brücken, Windkraftanlagen, in Produktionsanlagen, an kleinen und großen Maschinen. Doch Verschleiß und Einflüsse wie ­Temperaturschwankungen oder Schwingungen können dazu führen, dass eine oder mehrere Schrauben sich lockern oder gar ganz lösen. Das kann fatale Folgen haben. Bei sicherheitskritischen Strukturen ist deshalb eine regelmäßige Inspektion erforderlich. Jetzt hat ein Forschenden-Team des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT eine Intelligente Schraubverbindung entwickelt, in der eine Kombination aus Sensorik und Funktechnik die zuverlässige Fernüberwachung der Schraubverbindungen ermöglicht – und das auch noch energieautark.

In der intelligenten Schraubverbindung wird eine Schraube mit einer Unterlegscheibe versehen, die mit einer piezoresistiven DiaForce®-Dünnschicht ausgestattet ist. Deren druckempfindliche Sensorik registriert an drei Stellen die Vorspannkraft, die beim Anziehen der Schraube entsteht. Ändert sich die Vorspannkraft, ändert sich auch der elektrische Widerstand in der DiaForce®-Dünnschicht. Wenn sich eine Schraube löst, wird die daraus resultierende Änderung des Widerstands an ein Funkmodul gemeldet, das auf dem Schraubenkopf sitzt, erklärt Dr. Peter Spies, Projektleiter und Gruppenleiter Integrierte Energieversorgungen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Das Funkmodul wiederum sendetdie Daten an eine Basisstation, die die Infos aller relevanten Schrauben des jeweiligen Objekts einsammle.

Zuverlässige ­Datenübertragung per Funkprotokoll mioty®

Die DiaForce®-Dünnschicht wurde vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelt. Für die Funktechnik hat das Fraunhofer IIS das Funkprotokoll mioty® (Low Power Wide Area Network – LPWAN) beigesteuert. Diese Technologie ist nach Angabe von Fraunhofer in der Lage, kleine Datenmengen bei niedrigstem Energieverbrauch über große Entfernungen zu schicken, und zwar von mehr als hunderttausend Sensoren über nur eine Basisstation. Die Basisstation könnte am Rande eines Windparks, also in mehreren 100 Metern oder gar einigen Kilometern Entfernung stehen. Anschließend zeigt eine Software die Daten jeder einzelnen Schraube in einer grafischen Übersicht an. Je nach ­Konfiguration und Anwendungsfall wird der Status der Schraubverbindungen permanent, eventbasiert oder in festgelegten Zeitabständen übertragen.

Mit diesem System der Fernüberwachung ist es nach Aussage von Spies erstmals möglich, die Stabilität von sicherheitskritischen Infrastrukturen auch aus der Entfernung jederzeit im Auge zu behalten und dabei wirklich jede einzelne relevante Schraube zu checken. Das sei ein bedeutendes Plus an ­Sicherheit. Bei der Inspektion einer Brücke oder Windkraftanlage müsse auch kein Techniker alle Schrauben einzeln überprüfen und vor Ort sein, da alle Daten per Funk an die Service­station übertragen würden.

Die intelligenten Schraubverbindungen lassen sich an ganz unterschiedliche Anwendungen anpassen. Egal, ob für Flanschverbindungen in der Industrie, Bolzen in Stahlträgern an Hochhäusern, tragende Teile von Brücken oder die Befestigung von Rotoren an Windkraftanlagen – für jedes Szenario lässt sich das System individuell konfigurieren und auf das jeweilige Belastungsprofil abstimmen.

Auch das Problem des Energiebedarfs haben die Forschenden ressourcenschonend gelöst. Das System arbeitet mit dem Prinzip des Energy Harvesting. Dabei werden Wärme oder Licht zur Stromerzeugung genutzt. So erzeugt in dem System beispielsweise ein Thermogenerator Strom aus den winzigen Temperaturunterschieden zwischen dem Schraubenkopf und der Umgebung. Es wäre ebenso möglich, den Strom durch Solarzellen zu generieren. Energy Harvesting macht das System energieautark.

Verschlüsselung schützt vor Hackerangriffen

Besonderen Wert legen die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher auf die Sicherheit. Bei der Installation wird jede einzelne Schraube samt Sensoreinheit und Funkmodul in eine abhörsichere Inbetriebnahme-Box gelegt. Über den Kurzstreckenfunk RFID erhält sie eine individuelle ID und ihr Anforderungsprofil sowie einen individuellen Verschlüsselungscode. Zudem ist die Funk­strecke bei der Datenübertragung von den Schrauben zur Basisstation verschlüsselt. So verhindern wir, dass Kriminelle oder Hacker das System sabotieren können, sagt Spies. Das Technikpersonal, das beispielsweise eine Windkraftanlage überwache, könne sich auf die Daten wirklich verlassen.

Am Projekt des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT sind neben dem Fraunhofer IIS und dem Fraunhofer IST auch das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC beteiligt.

Die Technik ist für handelsübliche DIN-Schrauben konzipiert. Einsatzbereit ist das System für Schrauben der Größe M18, demnächst werden auch Varianten für M20 und M36 verfügbar sein.

Text zum Titelbild: Die Intelligente Schraubverbindung ist als flexibles und nachrüstbares System für DIN-Schrauben verschiedener Größen konzipiert. Das Display zeigt dabei den Status der jeweiligen Schraube als graphische Darstellung an (© Fraunhofer)

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