Unterlegscheiben werden intelligent

Seit dem 1. Jahrhundert v. Chr. werden Schrauben als Verbindungselement verwendet. Die Technik hat sich bewährt, doch die Ansprüche steigen stetig. Heute möchte man die Spannkräfte in den Schraubverbindungen möglichst exakt kennen. Der Drehmomentschlüssel kann nur bedingt genaue Informationen liefern: Intelligente Unterlegscheiben sollen dies ändern. Zu sehen ist die innovative Technik bei der diesjährigen Hannover-Messe vom 8. bis 12. April bei der Fraunhofer-Allianz Adaptronik in Halle 2 an Stand 15.

Beim Hantieren mit einem Drehmomentschlüssel können Reibungen, z. B. durch Schmutz in der Schraubverbindung verursacht, einen negativen Einfluss haben, da dass eingestellte Drehmoment nicht zur erwarteten Festigkeit der Verbindung führt. Schrauben werden daher in der Regel größer dimensioniert als nötig. Den Fraunhofer-Forschern ist es nun gelungen, Kräfte und Vorspannungen präzise zu messen und kontinuierlich zu überwachen, auch in bewegten Systemen. Hierzu registrieren piezoresistive Dünnschichtsensoren die Kräfte in den Schraubverbindungen und senden diese berührungslos per RFID-Übertragung an entsprechende Lesegeräte. Dadurch können Schrauben besser dimensioniert und montiert werden, was Material und Kosten spart.

Dynamisch beanspruchte Schraubverbindungen müssen periodisch kontrolliert werden. Mit einem Drehmomentschlüssel ist dies nur im Stillstand möglich. Maschinen und Anlagen mit umlaufenden Schraubverbindungen müssen zur Kontrolle angehalten werden. Hier bringt die kontinuierliche und berührungslose Messung große Erleichterungen und Zeitersparnis.

Dünnschichtsensoren mit Folienelektrode

Zur Herstellung eines kostengünstigen Systems mit Stahlfolienelektrode wird auf eine einseitig polierte Oberfläche von Unterlegscheiben im PACVD-Prozess die piezoresistive Sensorschicht DiaForce® abgeschieden. Per Laser wird eine ringförmige Edelstahlfolie mit einer Kontaktlasche ausgeschnitten und in direkten Kontakt mit den beschichteten Flächen der Unterlegscheiben gebracht. Das System kann anschließend mit Epoxidharz versiegelt werden.

Die Messung der Spannkräfte ist denkbar einfach: Über einen Kontakt an der Lasche und an der Scheibe fließt ein Messstrom durch die Sensorschicht. Der gemessene Widerstand gibt Auskunft über die Festigkeit: je höher der Widerstand, umso lockerer die Verbindung.

Dünnschichtsensoren mit geschlossenem Dünnschichtsensorsystem

Der Aufbau eines aufwendigeren geschlossenen Schichtsystems führt zu einer linearen Widerstandsabhängigkeit. Das System misst unabhängig von der Umgebungs-temperatur hochauflösend und ortsaufgelöst. Der Grundkörper hat eine Unterlegscheibenform mit integrierter Kontaktierungsfläche. Auf die polierte Fläche wird wiederum die piezoresistive Sensorschicht DiaForce® abgeschieden. Darauf werden einzelne Elektrodenstrukturen aus Chrom in einer Dicke von nur 100 Nanometern aufgebracht. Diese Strukturen werden mit einer mit Silizium und Sauerstoff modifizierten Kohlenwasserstoffschicht vor Verschleiß geschützt und elektrisch isoliert.

Das Unterlegscheibensystem mit RFID ist das Resultat des Projektes "InUse", das innerhalb des "Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM)" des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert wurde.