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MiMoSe

Mikroelektronischer Modulbaukasten für Sensorintegrierende Maschinenelemente

Ausgangslage

Durch die Integration von Sensorik werden konventionelle Maschinenelemente zu cyber-physischen Systemen, den Sensor-integrierenden Maschinenelementen (SiME). Im Schwerpunktprogramm 2305 liegt der Fokus auf der direkten Integration von Sensorsystemen in die bestehende mechanische Struktur konventioneller Maschinenelemente, wie z. B. Schrauben, Zahnräder und Passfedern. Die systematische Entwicklung von SiME, insbesondere unter Berücksichtigung eines stark limitierten Bauraums, eines effizienten Datenmanagements und eines autarken Energiehaushalts, stellt hierbei eine wesentliche Herausforderung dar. Die notwendige interdisziplinäre Kollaboration zwischen den Bereichen Mechanik, (Mikro-) Elektronik und Software erfordert eine frühzeitige, abgestimmte Vorgehensweise zur Zusammenführung der jeweiligen Entwicklungsdomänen. Für die Entwicklung von SiME bestehen in der Literatur keine Methoden für deren interdisziplinäre Entwicklung, sodass sich daraus die im Projekt zu schließende Forschungslücke ergibt. Folglich ist es das Ziel des Vorhabens, die interdisziplinäre, systematische Entwicklung von SiME methodisch zu unterstützen und am Beispiel von Befestigungs- und Bewegungsschrauben zu erforschen. Die für die Entwicklung erforderlichen Kompetenzen werden durch die Projektpartner PKT (TU Hamburg) -methodische Produktentwicklung-, MST (TU Hamburg) Mikroelektronik- und pmd (TU Darmstadt) -Maschinenelemente- gestellt.

Abbildung 1: Konzept zur Integration modularer Sensorsysteme in konventionelle Maschinenelemente

Projektziele

Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Konzeptionierung eines mikroelektronischen Modulbaukastens für Sensorsysteme in SiME. Am Beispiel sensorintegrierender Befestigungs- und Bewegungsschrauben wird der modellbasierte Modulbaukasten erprobt und der Funktionsnachweis der konfigurierten Sensorsysteme erbracht. Außerdem soll die Entwicklung der notwendigen Methoden für die Konfiguration und Vorauslegung von SiME erfolgen. Mit der Integration von Sensorsystemen in standardisierte Maschinenelemente können unterschiedlichste prozessrelevante Messaufgaben erfüllt werden, indem Daten in situ erfasst, ausgewertet und an das übergeordnete System übertragen werden. Anhand der Schraube als beispielhaftes Maschinenelement sollen im Rahmen dieses Projektes mit Hilfe des zu entwickelnden Modulbaukastens geeignete Sensorsysteme auf Basis unterschiedlicher Strategien generiert sowie exemplarisch prototypisch realisiert, integriert und abschließend experimentell untersucht werden.

Vorgehensweise

Zunächst werden, wie in Abbildung 2 dargestellt, Anforderungen an die Sensorsysteme in SiME anhand von Bewegungs- und Befestigungsschrauben ermittelt. Ausgehend von den ermittelten Anforderungen werden anschließend erforderliche Produkteigenschaften, sowie die relevanten Messgrößen festgelegt. Für die relevanten Messgrößen werden daran anknüpfend – falls erforderlich – passende Ersatzgrößen abgeleitet, um den vorliegenden Betriebszustand zu erfassen. Im Anschluss werden für die jeweiligen Teilfunktionen die erforderlichen Sensormodule ermittelt, deren Kompatibilität untereinander analysiert und Wechselwirkung mit dem Maschinenelement untersucht. Dabei steht die Wechselwirkung zwischen den integrierten Modulen und der Primärfunktion des Maschinenelements im Fokus, da diese durch die Sensorintegration nicht negativ beeinflusst werden soll. Die Erprobung des Modulbaukastens erfolgt abschließend anhand von Befestigungs- und Bewegungsschrauben. Hierzu werden Demonstratoren sowie eine geeignete physische Testumgebung zu deren experimentellen Untersuchung entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf statischen und auf harmonisch dynamischen Versuchen sowie der Erfassung der relevanten mechanischen Größen. Durch den Abgleich der ermittelten Messdaten mit den Prognostizierten erfolgt der Funktionsnachweis der entwickelten SiME und des Modulbaukastens.

Abbildung 2: Abfolge der Projektabschnitte im MiMoSe-Projekt