Mehr Sicherheit: Smarte Schrauben senden eine Warnung, wenn sie sich lockern

Große Strukturen wie Brücken, Windturbinen oder generell große Maschinen verlassen sich häufig auf mehr oder minder große Schrauben, um die eigene Integrität zu gewährleisten. Und Schrauben – egal welcher Größe – können sich mit der Zeit lösen. Was bei der Halterung eines Mikrofons ärgerlich ist, kann bei einem Windrad eine ernsthafte Gefahr sein. Deswegen müssen Schraubverbindungen regelmäßig überprüft werden. Forscher:innen des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT haben eine Technologie entwickelt, mit deren Hilfe die Stabilität solcher Schraubverbindungen per Fernüberwachung kontrolliert werden kann.

Schrauben sind sicherheitsrelevant

Schrauben finden sich überall. Sie werden unter anderem an Kränen verwendet, an Hochhäusern, an Brücken und an Baugerüsten. Hochwertige Schraubverbindungen sind äußerst stabil. Allerdings wird diese Stabilität von äußeren Einflüssen wie etwa Temperaturschwankungen oder Schwingungen beeinflusst. Über längere Zeit können sich Schrauben lockern oder gar lösen. In sicherheitskritischen Bereichen müssen Schraubverbindungen daher in regelmäßigen Abständen kontrolliert werden.

Forscher:innen des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT haben eine Lösung entwickelt, die manuelle Inspektionen ersetzen kann. Diese ermöglicht durch eine Kombination aus Sensorik und Funktechnik eine Fernüberwachung von Schraubverbindungen, die sogar komplett energieautark ist.

Fernüberwachung per Funk

Das Geheimnis ist dabei in der verwendeten Unterlegscheibe verborgen. Diese enthält eine piezoresistive Dünnschicht, die druckempfindlich ist und an drei Stellen die Vorspannkraft registriert, die entsteht, wenn man die Schraube anzieht. „ 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„, so Dr. Peter Spies, Projektleiter und Gruppenleiter Integrierte Energieversorgungen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, über die Technologie.

Bei der Funkübertragung kommt ein vom Fraunhofer IIS entwickeltes Funkprotokoll zum Einsatz, das kleine Datenmengen bei niedrigstem Energieverbrauch über große Entfernung schicken kann. Mit ihm können mehr als hunderttausend Sensoren an eine Basisstation gekoppelt werden, die sich sogar in einigen Kilometern Entfernung befinden. Die Daten der einzelnen Schrauben werden dann in einer grafischen Übersicht angezeigt. Bei Bedarf kann eine Schraubverbindung dabei sogar permanent überwacht werden, aber auch eine eventbasierte Überwachung oder eine in bestimmten Zeitabständen ist möglich.

Verschlüsselte Übertragung

Die Technologie verfügt zudem über ein ausgeklügeltes Sicherheitssystem. Bei der Installation wird jede einzelne Schraube samt Sensoreinheit und Funkmodul in eine abhörsichere Inbetriebnahme-Box gelegt. Zudem kommt für den Kurzstreckenfunk RFID, der für die Übertragung der Daten von Sensor zum Funkmodul verwendet wird, eine individuelle ID und ein individueller Verschlüsselungscode zum Einsatz. Die Funkübertragung ist bis zur Basisstation verschlüsselt, sodass Manipulationen äußerst unwahrscheinlich sind.

„ 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 wirklich 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„, so Spies.

Die Technik wurde für handelsübliche DIN-Schrauben entwickelt und ist bisher für Schrauben der Größe M18 verfügbar. Schrauben der Größe M20 und M36 werden in Kürze folgen.

via Fraunhofer-Gesellschaft