Schrauben finden sich fast überall. An Kränen, Baugerüsten, Hochhäusern, Brücken, Windkraftanlagen, in Produktionsanlagen, an kleinen und großen Maschinen. Doch Verschleiß und Einflüsse wie Temperaturschwankungen oder Schwingungen können dazu führen, dass sich eine oder mehrere Schrauben lockern oder gar ganz lösen. Das kann fatale Folgen haben. Bei sicherheitskritischen Strukturen ist deshalb eine regelmäßige Inspektion erforderlich. Ein Team des Fraunhofer CCIT hat jetzt eine intelligente Schraubverbindung entwickelt, in der eine Kombination aus Sensorik und Funktechnik die zuverlässige Fernüberwachung der Schraubverbindungen ermöglicht – und das auch noch energieautark.

In der intelligenten Verbindung wird eine Schraube mit einer Unterlegscheibe versehen, die mit einer piezoresistiven „Diaforce“-Dünnschicht ausgestattet ist. Deren druckempfindliche Sensorik registriert an drei Stellen die Vorspannkraft, die beim Anziehen der Schraube entsteht. Ändert sich die Vorspannkraft, ändert sich auch der elektrische Widerstand in der Dünnschicht.

„Wenn sich eine Schraube löst, wird die daraus resultierende Änderung des Widerstands an ein Funkmodul gemeldet, das auf dem Schraubenkopf sitzt. Das Funkmodul wiederum sendet die Daten an eine Basisstation, die die Infos aller relevanten Schrauben des jeweiligen Objekts einsammelt“, erläutert Dr. Peter Spies, Projektleiter und Gruppenleiter Integrierte Energieversorgungen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS.

Datenübertragung per Funkprotokoll „Mioty“

Entwickelt wurde die Diaforce-Dünnschicht vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST. Für die Funktechnik hat das Fraunhofer IIS das Funkprotokoll Mioty (Low Power Wide Area Network – LPWAN) beigesteuert. Diese Technologie ist in der Lage, kleine Datenmengen bei niedrigem Energieverbrauch über große Entfernungen zu schicken, und zwar von mehr als hunderttausend Sensoren über nur eine Basisstation. Die Station könnte am Rande eines Windparks stehen, also mehrere hundert Meter oder gar einige Kilometer entfernt. Anschließend zeigt eine Software die Daten jeder einzelnen Schraube in einer grafischen Übersicht an. Je nach Konfiguration und Anwendungsfall wird der Status der Schraubverbindungen permanent, eventbasiert oder in festgelegten Zeitabständen übertragen.

„Mit diesem System der Fernüberwachung ist es erstmals möglich, die Stabilität von sicherheitskritischen Infrastrukturen auch aus der Entfernung jederzeit im Auge zu behalten und dabei jede einzelne relevante Schraube zu checken. Das ist ein bedeutendes Plus an Sicherheit. Bei der Inspektion einer Brücke oder Windkraftanlage muss auch kein Techniker alle Schrauben einzeln überprüfen und vor Ort sein, da alle Daten per Funk an die Servicestation übertragen werden“, sagt Spies.

Die intelligenten Schraubverbindungen lassen sich an ganz unterschiedliche Anwendungen anpassen. Egal, ob für Flanschverbindungen in der Industrie, die Bolzen in Stahlträgern an Hochhäusern, die tragenden Teile von Brücken oder die Befestigung von Rotoren an Windkraftanlagen – für jedes Szenario lässt sich das System individuell konfigurieren und auf das jeweilige Belastungsprofil abstimmen.

Auch das Problem des Energiebedarfs haben die Forschenden ressourcenschonend gelöst. Das System arbeitet mit dem Prinzip des Energy Harvesting. Dabei werden Wärme oder Licht zur Stromerzeugung genutzt. So generiert in dem System zum Beispiel ein Thermogenerator Strom aus den winzigen Temperaturunterschieden zwischen dem Schraubenkopf und der Umgebung. Es wäre ebenso möglich, den Strom mit Solarzellen zu erzeugen. Energy Harvesting macht das System energieautark.

Verschlüsselung schützt vor Hackerangriffen

Besonderen Wert legen die Fraunhofer-Forscher auf die Sicherheit. Bei der Installation wird jede einzelne Schraube samt Sensoreinheit und Funkmodul in eine abhörsichere Inbetriebnahmebox gelegt. Über den Kurzstreckenfunk RFID erhält sie eine individuelle ID und ihr Anforderungsprofil sowie einen individuellen Verschlüsselungscode. Zudem ist die Funkstrecke bei der Datenübertragung von den Schrauben zur Basisstation verschlüsselt. „So verhindern wir, dass Kriminelle oder Hacker das System sabotieren können. Das Technikpersonal, das beispielsweise eine Windkraftanlage überwacht, kann sich auf die Daten wirklich verlassen“, betont Spies.

Am Projekt des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT sind neben dem Fraunhofer IIS und dem Fraunhofer IST auch das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC beteiligt.

Die Technik ist für handelsübliche DIN-Schrauben konzipiert. Einsatzbereit ist das System für Schrauben der Größe M18, demnächst werden auch Varianten für M20 und M36 verfügbar sein.

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