SiSmaK - Sensorintegrierende Schrauben zur mehraxialen Kraftmessung und Ableitung einer Entwurfsmethodik für die Sensorintegration in geschlossenen zylinderförmigen Maschinenelementen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Hofmann; Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Sven Matthiesen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466650813

Schlüsselelement für den breiten Einsatz von Industrie 4.0 sind Mess- und Prozessdaten mit hoher Datenqualität. Dies kann durch Sensorik vor Ort, also an den prozessrelevanten Stellen in der Maschine, erfolgen. Besonders eignen sich hierzu Verbindungselemente wie Schraubenverbindungen, da diese sich im Kraftfluss befinden und zu den meistverbreiteten Bauteilverbindungen gehören. Die Belastung auf eine Schraube ist in der Regel mehrachsig. So wirken bereits bei konventioneller Montage von Schrauben durch die Torsionsbelastung Querkräfte auf die Schraube und auch im Betrieb kommt es zu Biege- und Scherbeanspruchungen im Kopfbereich, welche zusätzlich zur axialen Vorspannkraft auf die Schraube wirken. Dies wird jedoch bei der systematischen Berechnung von hochbeanspruchten Schraubenverbindungen nach VDI 2230 durch Einsatz von Festigkeitshypothesen und Korrekturfaktoren auf eine einaxiale Belastung reduziert. Gerade für die Erfassung von Belastungen aus verschiedenen Richtungen und deren Nutzung für die Prozessüberwachung mit Fehlerfrüherkennung ist die mehraxiale Kraftmessung jedoch unabdingbar.Um den interdisziplinären Herausforderungen bei der Entwicklung von sensorintegrierenden Maschinenelementen zu begegnen, sind spezielle Methodiken notwendig. Im Stand der Forschung fehlen für den Entwurf sensorintegrierender Maschinenelemente solche Methodiken. Daher wird in diesem Vorhaben eine Entwurfsmethodik für zylinderförmige Maschinenelemente erforscht, welche die Aspekte Sensorintegration, Energiemanagement und Signalübertragung adressiert.Das Ziel dieses Vorhabens liegt daher in der Konzeption und dem Lösen der interdisziplinären Forschungsfragestellungen einer sensorintegrierenden Schraube mit mehraxialer Kraftmessung, die die Anforderungen der Bauraumneutralität sowie einer autarken Energieversorgung bei hermetischer Abgeschlossenheit erfüllt. Gleichzeitig soll die Primärfunktion Tragfähigkeit möglichst wenig beeinflusst werden. Das Vorgehen zur Realisierung dieses Ziels soll zudem dazu genutzt werden, bestehende Entwurfsmethodiken für mechatronische Systeme speziell für die Entwicklung von sensorintegrierenden Maschinenelementen zu erweitern. Dazu soll auf Basis etablierter Entwurfsmethodiken und aus dem Vorgehen in diesem Forschungsvorhaben eine Methodik für zylinderförmige Maschinenelemente abstrahiert werden. Diese Methodik stellt hohe Kohärenz zu den Zielen des Schwerpunktprogramms dar und erweitert damit den Stand der Forschung der Entwicklungsmethodik sensorintegrierender Maschinenelemente.Um dieses Ziel erreichen zu können, werden ausgehend von einer herkömmlichen metrischen Schraube mehrere Versuchsträger mit unterschiedlicher Komplexität und Reifegrad realisiert und parallel auf einem zu entwickelten Prüfaufbau evaluiert. Für die Entwicklung der Entwurfsmethodik werden fortlaufend alle unternommenen Schritte reflektiert und die Erkenntnisse in eine Entwurfsmethodik für geschlossene, zylinderförmige Maschinenelemente überführt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2305: Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung