Potenziale und Herausforderungen Energieautonomer Sensorsysteme für den Einsatz in sensorintegrierenden Maschinenelementen

Abstract:
Um die Digitalisierung des Maschinenbaus effektiv voranzutreiben, werden umfangreiche und zuverlässige Daten zum Betriebszustand von Maschinen und Anlagen benötigt. In praktisch jeder Maschine befinden sich in direkter Prozessnähe standardisierte Maschinenelemente. Es bietet sich daher an, Sensorsysteme für unterschiedlichste Messaufgaben (z.B. Drehzahl, Drehmoment, Schmierstoffzustand, ...) in diese weit verbreiteten, standardisierten Maschinenelemente zu integrieren, welche die Daten direkt im Prozess („in-situ“) erfassen und auswerten. Im Rahmen des im Mai 2021 genehmigten DFG Schwerpunktprogramms (SPP) 2305 „Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung“ sollen die wissenschaftlichen Grundlagen für sensorintegrierende Maschinenelemente und deren methodisch gestützte Konzeptionierung und Systemintegration erforscht werden. Im Fokus stehen „gewöhnliche“ Maschinenelemente als standardisierte Basiselemente des Maschinenbaus, die in unterschiedlichster Form und Ausprägung branchenübergreifend massenweise in Maschinen und technischen Systemen eingesetzt werden. Entscheidend für den Erfolg und flächendeckenden Einsatz der SiMe wird sein, dass diese geometrisch und funktional gegenüber bisherigen Maschinenelementen ausgetauscht werden können. Die Herausforderungen reichen dabei von der Identifikation und Synthese von Konzepten für Sensorsysteme und Datenverarbeitung bis hin zur Auswahl geeigneter Methoden zur Energieund Datenübertragung sowie deren Realisierung im elementaren Maschinenelement einschließlich der notwendigen Fähigkeit zur Aktualisierung der Sensor- und Auswertesoftware. Herausforderungen bei der Energieversorgung der SiMe ergeben sich durch die Anforderungen an die Messaufgabe des Sensorsystems hinsichtlich Abtastrate und Auflösung, durch die Berücksichtigung des begrenzten Bauraums innerhalb des SiMe, die Wechselwirkungen zwischen Sensorsystem und Energiesystem sowie dem Energiemanagement und daraus abgeleiteten Betriebsstrategien. Die betrachteten Maschinenelemente umfassen Zahnräder, Wellen und Welle-Nabe-Verbindungen, Schrauben, Wälz-, Gleit- und Gasfolienlager, Passfedern, Kupplungen und Radialwellendichtringe. In diesem Beitrag werden die Herausforderungen bei der Entwicklung energieautarker Sensorsysteme sowie deren Potenziale für den Einsatz in SiMe an einzelnen Teilprojekten des SPP 2305 aufgezeigt und diskutiert.