Sensorintegration in Maschinenelemente am Beispiel von Befestigungsschrauben = Sensor-integration in Machine Elements at the Example of Fastening Bolts

Die Verfügbarkeit aussagekräftiger Messdaten zum Zustand und zu den
Prozesskräften von Maschinen und Anlagen ist eine zentrale Herausforderung der Digitalisierung im Maschinenbau. Durch die Integration von Sensorik direkt in standardisierte und weitverbreitete Maschinenelemente wie Schrauben können flächendeckend und niedrigschwellig Messdaten mit hoher Aussagekraft erfasst werden. Dies ermöglicht die Dokumentation der individuellen Beanspruchungshistorie und leistet dadurch einen Beitrag zur Realisierung der Kreislauffabrik.
Kern des Problems bei der Entwicklung sensorintegrierender Schrauben ist jedoch der Zielkonflikt zwischen dem Erhalt der mechanischen Funktion und der Bereitstellung einer möglichst guten sensorischen Funktion. ... mehrDie Integration eines Sensormoduls, bestehend aus Sensoren und Elektronik, in das Innere der Schraube reduziert zwangsläufig deren mechanische Funktion, da die Gestaltmerkmale des Sensormoduls die beiden Funktionen in ihrem Verhalten gegensinnig beeinflussen.
Bisher fehlten sowohl konkretes Wissen als auch Methoden, um diesen Zielkonflikt zwischen mechanischer und sensorischer Funktion zu verhandeln.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Zielkonflikt systematisch zu untersuchen und so zu verhandeln, dass eine Kompromisslösung gefunden werden kann. Dazu wurde ein Verhandlungsmodell entwickelt, das optimale Sensormodulbauraum-Gestaltmerkmale und das damit erreichbare funktionale Verhalten berechnet.
Basierend auf diesen Gestaltmerkmalen wurden mehrere Iterationen
sensorintegrierender Schrauben gefertigt und empirisch in ihrem funktionalen Verhalten bewertet. Die Iterationen erreichten Messfehler von bis zu 2 % und Sensitivitäten, die eine Auflösung der Axialkraft von bis zu 6 N und des Biegemoments von bis zu 46 mNm ermöglichen. Die unvermeidbare Reduktion der mechanischen Funktion wurde derart begrenzt, dass sie durch Erhöhung der Schraubenfestigkeitsklasse kompensierbar ist. Zur systematischen Unterstützung des Aufbaus von Wissen für die Sensorintegration wurde ein methodischer Ansatz am
Beispiel der Schraube entwickelt, um interdisziplinäre Zielkonflikte frühzeitig zu erkennen und empirische Testing-Aktivitäten besser zu planen.
Insgesamt zeigt die Arbeit, dass der Zielkonflikt zwischen mechanischer und sensorischer Funktion in Schrauben durch gezielten Wissensaufbau wie die Quantifizierung der Zusammenhänge von Gestaltmerkmalen und funktionalem Verhalten verhandelt und eine Kompromisslösung gefunden werden kann. Die vollständig integrierte Messkette mit drahtloser Datenkommunikation eröffnet zukünftig das Potenzial, die Unsicherheiten in der Montage, insbesondere im Anziehfaktor, durch eine Koppelung mit einem Werkzeug zu verringern. Dadurch kann
die Überdimensionierung von Schraubverbindungen um bis zu 73% gesenkt werden.

The availability of meaningful measurement data on the condition and process forces of machines and plants is a key challenge of digitalization in mechanical engineering. By integrating sensors directly into standardized and widely used machine elements such as bolts, comprehensive measurement data with high informative value can be
recorded with low threshold. This enables the documentation of individual stress histories, thereby contributing to the realization of the circular factory.
However, the core problem in the development of sensor-integrated screws is the conflict of objectives between maintaining mechanical function and providing the best possible sensory function. ... mehrThe integration of a sensor module, consisting of sensors and electronics, into the interior of the screw inevitably reduces its mechanical function,
as the design features of the sensor module have an opposing effect on the behavior of the two functions. Until now, there has been a lack of both concrete knowledge and methods for negotiating this conflict of objectives between mechanical and sensory function.
The aim of this work is to systematically investigate the conflict of objectives and negotiate it in such a way that a compromise solution can be found. To this end, a negotiation model was developed that calculates the optimal design features of the sensor module installation space and the functional behavior that can be achieved with
it. Based on these design features, several iterations of sensor-integrating screws were manufactured and empirically evaluated in terms of their functional behavior. The iterations achieved measurement errors of up to 2% and sensitivities that enable a
resolution of the axial force of up to 6 N and the bending moment of up to 46 mNm.
The unavoidable reduction in mechanical function was limited to such an extent that it can be compensated for by increasing the screw strength class. To systematically support the development of knowledge for sensor integration, a methodological
approach was developed using the example of the screw in order to identify interdisciplinary conflicts of interest at an early stage and to better plan empirical testing activities.
Overall, the work shows that the conflict of objectives between mechanical and sensory function in screws can be negotiated through targeted knowledge building, such as quantifying the relationships between design features and functional behavior, and that a compromise solution can be found. The fully integrated measurement chain with wireless data communication opens up the potential in the future to reduce uncertainties in assembly, especially in the tightening factor, by coupling it with a tool. This can reduce the oversizing of screw connections by up to 73 %.