Drahtlose, energieautarke Überwachung von kritischen Schraubverbindungen

Schraubverbindungen werden oft an funktions- und sicherheitsrelevanten Stellen wie Brücken, Windkraftanlagen, Fahrzeugen oder Maschinen eingesetzt, wo sie hohen statischen und zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Deshalb werden derartige Verbindungen nach planmäßigen Wartungsintervallen auf unterschiedliche Weise überprüft. Gerade bei größeren Geometrien der Schrauben ab M20 machen die benötigten Werkzeuge die Prüfung aufwendig. An unzugänglichen, exponierten Stellen stellt die Wartung und Instandhaltung weiterhin große Herausforderungen an das Servicepersonal, was einen hohen Zeitaufwand und damit Kosten verursacht. Letztlich liegen keine Informationen über die tatsächlich wirkende Vorspannkraft vor, die jedoch nötig wären, um die Befestigung zuverlässig zu bewerten.

Am Markt sind unterschiedliche Systeme zur Schraubenüberwachung verfügbar, welche verschiedene Messmethoden zur Erfassung der Verbindungsfestigkeit von Schraubverbindungen verwenden. Dabei werden sowohl die Dehnung der Schraube als auch die Verformung von Schraubenkopf oder Schraubenschaft genutzt, um die Festigkeit des Verbindungselements zu bewerten. Mittels vorher erzeugter Modelle kann daraus die Vorspannkraft abgeleitet werden.

Eine alternative Variante ist die direkte Erfassung der Vorspannkraft mithilfe von Sensorik in der Unterlegscheibe. Auch hier gibt es unterschiedliche Konzepte und Sensorprinzipien, die sich unter anderem in Kosten und Messgenauigkeit unterscheiden. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer piezoresistiven Dünnschicht als Sensorelement. Solch eine Schicht ändert ihren elektrischen Widerstand aufgrund einer Krafteinwirkung und kann zur Herstellung von hochempfindlichen Dünnschichtsensoren auf Unterlegscheiben verwendet werden. Die druckempfindliche Dünnschichtsensorik auf der Unterlegscheibe ermittelt beispielsweise an mehreren Stellen die Vorspannkraft, die durch Anziehen der Schraube entsteht. Ändert sich die Vorspannkraft, verändert sich auch der elektrische Widerstand der Sensorelemente, welcher durch einen elektrischen Strom in eine messbare Spannung umgewandelt werden kann. Durch die Applikation der Dünnschichtsensorik mittels Beschichtungsprozessen direkt auf der Oberfläche der Unterlegscheibe ist keine Modifikation der Schraube nötig und das System kann sowohl für beliebige handelsübliche Schrauben als auch für konventionelle Bolzenverbindungen eingesetzt werden.

Für die Übertragung der ermittelten Werte der Vorspannkraft können im einfachsten Fall Kabelverbindungen eingesetzt werden, welche jedoch neben zusätzlichen Kosten auch weitere Installationsaufwände für die Kabelführung erforderlich machen. Dies stellt vor allem an schwer zugänglichen Objekten wie Brücken oder Windkraftanlagen eine Herausforderung dar und erhöht die Kosten gerade bei großen Bauwerken und Anlagen, was eine wirtschaftliche Umsetzung oft erschwert. Eine alternative Datenübertragung kann drahtlos über Funksignale realisiert werden. Hierfür eignen sich vor allem sogenannte Low-Power Wide Area Networks (LPWAN), also Funksysteme, die kleine Mengen an Daten mit wenig Energie über große Reichweiten übertragen können.

Für die Energieversorgung solcher Funksender, die direkt an den zu überwachenden Schrauben sitzen, können handelsübliche Batterien genutzt werden, welche jedoch abhängig von Übertragungshäufigkeit und Reichweite regelmäßig ausgewechselt werden müssen. Um das zu vermeiden, eignen sich Energy Harvesting Technologien, die Umweltenergie wie Licht, Temperaturunterschiede oder Vibrationen direkt am Montageort nutzen, um elektrische Energie zur Versorgung von Sensoren und Funksendern zu erzeugen. Eine Solarzelle kann beispielsweise einfallendes Sonnenlicht nutzen, um die Elektronik mit Energie zu versorgen. Dagegen nutzen Thermogeneratoren Temperaturdifferenzen an warmen oder kalten Objekten wie Lager, Motoren oder Kühlaggregaten. Vibrationswandler verwenden periodische Vibrationen, um daraus elektrische Energie zum Betrieb der Funksensoren bereitzustellen. So entstehen Monitoringsysteme, die einfach zu installieren und auch nachrüstbar sind.

Der Messwert der Vorspannkraft wird regelmäßig an das Funkmodul übermittelt, das auf dem Schraubenkopf oder in unmittelbarer Umgebung sitzt. Das Funkmodul wiederum sendet die Daten an eine Basisstation, die die Werte aller überwachten Schrauben des jeweiligen Objekts einsammelt und an die Internetplattform oder den Server des Betreibers übermittelt. Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterschaltungen sind solche drahtlosen Sensorsysteme auch in Abmessungen möglich, die eine Montage problemlos auf dem Schraubenkopf ermöglichen.

Neben der Ermittlung der Vorspannkraft mittels Kraftsensoren ist auch der Einsatz von weiteren Sensoren auf dem Verbindungselement oder in unmittelbarer Nähe möglich und sinnvoll. Besonders nützlich sind beispielsweise Vibrationssensoren, die eine wichtige Messgröße bei der Bewertung der Stabilität eines mechanischen Systems liefern können. So können aus Vibrationsamplitude und -frequenz und deren Veränderung Rückschlüsse auf Verschleiß, Abnutzung und Schädigung von beweglichen Teilen gezogen werden. Herausforderung ist auch hier die Übertragung und Auswertung der gemessenen Daten. Große Mengen an Rohdaten, wie Vibrationsspektren, erfordern viel Energie für eine breitbandige Funkübertragung. Der Einsatz von Verfahren der künstlichen Intelligenz (KI), welche es ermöglichen, die aufgenommenen Daten direkt am Sensor zu analysieren und nur die daraus abgeleiteten Erkenntnisse und Zuständen zu übertragen, können die zu übertragende Datenmenge deutlich reduzieren. So können durch hochentwickelte mikroelektronische Schaltungen zusammen mit neuartigen Sensortechnologien vielseitige Monitoringsysteme realisiert werden. Hierdurch wird die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Befestigungselementen erhöht sowie der Wartungsaufwand reduziert, in dem eine Fernwartung und eine zustandsbasierte Instandhaltung ermöglicht wird.

Über den Autor

Dr. Peter Spies arbeitet am Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen IIS. Er leitet dort die Gruppe „Integrierte Energieversorgungen“, wo er Forschungs- und Entwicklungsprojekte auf dem Gebiet Energy Harvesting und autarker IoT-Sensoren bearbeitet.

Dieser Beitrag erschien im BWE-BetreiberBrief 1-2024.

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