MiMoSe II
Mikroelektronischer Modulbaukasten für Sensorintegrierende Maschinenelemente
Ausgangslage
Durch die Integration von Sensorik werden konventionelle Maschinenelemente zu cyber-physischen Systemen, den Sensor-integrierenden Maschinenelementen (SiME).
Im 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. Schwerpunktprogramm 2305
Nachdem im Rahmen des Vorgängerprojektes „MiMoSe“ Modelle zur Modulbaukasten-basierten Entwicklung von SiME entwickelt und implementiert wurden, gilt es nun, offene Forschungsfragen zu schließen und die Funktionalität des Modulbaukastens um Energieautarkie, Drahtloskommunikation und Updatefähigkeit sowie eine Unterstützung bei der Prüfverfahrensauswahl zu ergänzen. 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.
Projektziele
Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Erweiterung des im Vorgängerprojektes entstandenen mikroelektronischen Modulbaukastens für Sensorsysteme in SiME um Autarkiefunktionen und Testing.
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 Energiemodule und die Drahtloskommunikation in SiME anhand von Bewegungs- und Befestigungsschrauben ermittelt. Ausgehend von den ermittelten Anforderungen werden anschließend erforderliche Produkteigenschaften festgelegt und relevante Prüfverfahren sowie Prüffälle ermittelt.
Es wird untersucht, ob eine methodische Verknüpfung zwischen spezifischen Anforderungen und Prüfverfahren möglich ist und wie diese im Modulbaukasten aufgenommen werden kann. Im Anschluss werden für die jeweiligen Teilfunktionen die erforderlichen Module ermittelt, deren Kompatibilität untereinander analysiert und Wechselwirkung mit dem bereits evaluierten Prototypen sowie dessen Funktionserhalt am integrierten Maschinenelement untersucht. Die Erprobung des erweiterten 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.
