Ausgangslage

Durch die Integration von Sensoren werden diese zu cyber-physischen Systemen. 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 Lager. Die systematische Entwicklung dieser sensorintegrierenden Maschinenelemente (SiME), insbesondere unter Berücksichtigung des 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, welche in Form von neuen Ansätzen und Methoden unterstützt werden muss. Folglich ist es das Ziel des Vorhabens, die interdisziplinäre, systematische Entwicklung von SiME methodisch zu unterstützen. Dies wird im Verbund aus methodischer Produktentwicklung (PKT),  Maschinenelemente (pmd) und Mikroelektronik (mst) am Beispiel von Befestigungs- und Bewegungsschrauben erforscht (siehe Bild 1).

Bild 1: Integration modularer Sensorsysteme in bestehende 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 Modulbaukastens geeignete Sensorsysteme auf Basis unterschiedlicher Strategien generiert sowie exemplarisch prototypisch realisiert, integriert und abschließend experimentell untersucht werden.

Lösungsansatz

Die Modularisierung der mikroelektronischen Sensorsysteme soll durch das Model Based Systems Engineering (MBSE) unterstützt werden. Im ersten Schritt werden die Anforderungen hinsichtlich der Einsatz- und  Umgebungsbedingungen ermittelt. Anschließend können zukünftige Produkteigenschaften abgeleitet werden. Durch die Verknüpfung zweckmäßiger und verträglicher Komponenten entsteht eine mechatronische Produktarchitektur. In der Modellierungssprache SysML können in Abhängigkeitsdiagrammen Eigenschaften und Komponenten verknüpft und es können entsprechende Modulvarianten modelliert werden. Die für die Konfiguration der Sensorsysteme definierten Grundstrategien sind die bauraum-, energie- und datenoptimierte Strategie. Hierfür werden die notwendigen Parameter bestimmt und mit entsprechenden  Berechnungsvorschriften hinterlegt. Anhand der Nutzungsanforderungen und unter Auswahl geeigneter Modulvarianten, werden funktionsfähige Sensorsysteme generiert und vorausgelegt. Am Beispiel der Schrauben wird das Konfigurationssystem erprobt. In einer Performance-Analyse werden die Lösungsalternativen hinsichtlich ihres Erfüllungsgrads der Anforderungen bewertet und anschließend wird je eine energie-, eine daten- und eine bauraumoptimierte Lösung ausgewählt. Ein Sensorsystem wird zu prototypischen Umsetzung ausgewählt und in Form eines Demonstrators umgesetzt und in Betrieb genommen. Im letzten Schritt können die entstandenen SiME experimentell validiert werden.

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing Dieter Krause

Projektmanagement und -bearbeitung: Jan Küchenhof, M. Sc.

Projektförderung und Verbundpartner

Das Projekt wird im Rahmen des SPP 2305 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert .
Die Laufzeit des Projekts reicht von 2022 bis 2024.