Sensoren im Zahn – Forscher arbeiten an Integration in kleine Bauteile

Daten direkt aus den Maschinenelementen könnten helfen, die Prozessqualität zu überwachen und Ausfallzeiten zu minimieren. Die Forschung hierzu steht aber erst am Anfang, wie eine Tagung in Dresden zeigte.

Die sensorische Überwachung von Produktionsprozessen steht vor einem qualitativen Sprung. Wenn es gelingt, Daten direkt aus Maschinenelementen heraus zu generieren, würde das sich anbahnende Schäden frühzeitig erkennbar machen und ungeplante Ausfallzeiten minimieren. Wartungsintervalle ließen sich auf den tatsächlichen Bedarf fokussieren. Den Stand der Forschung dokumentierten Experten auf dem Dresdner Maschinenelemente-Kolloquium Ende April.

Räder, Achsen, Seile, Dichtungen, Schrauben, Zahnräder – ohne solche vermeintlich simplen Bestandteile, die meist bereits schon vor der Römerzeit genutzt wurden, gäbe es heute weder Roboter, noch Fahrzeuge, noch vollautomatisierte Werkzeugmaschinen. Doch während die Maschinenbauindustrie in den letzten Jahren ihre Produkte längst mit Sensorik aufgerüstet hat und die Produktion immer mehr Daten für den digitalen Zwilling in der Fabrik liefert, sind die Maschinenelemente bislang meist von dieser Entwicklung ausgenommen. Dabei könnten sie besonders wichtige Informationen aus den am stärksten belasteten Bereichen – etwa direkt aus den Gleit- oder Wälzlagern – liefern, die Aussagen über den Verschleiß und den technischen Zustand ermöglichen.

Vielversprechende Forschungsprojekte weisen den Weg

Doch bislang gibt es hier keine ausgereiften technischen Möglichkeiten, sondern nur eine Reihe von vielversprechenden Forschungsprojekten. Warum das so ist, verdeutlicht Berthold Schlecht, Professor am gastgebenden Institut für Maschinenelemente der TU Dresden an einem Foto, auf dem der Zahn einer Baggerschaufel als piezoelektrischer Kraftmessdübel ausgebildet ist. Das Problem: Es geht in diesem Fall nicht ohne Verkabelung, doch diese steht natürlich einem realen Arbeitsvorgang eines solchen robusten Gerätes im Wege.

Auch Schrauben, in deren Mittelteil eine millimetergroße Bohrung für einen Sensor platziert ist, sind noch nicht der Weisheit letzter Schluss: „Mit einem solchen System können wir zwar beispielsweise Temperatur- oder Beschleunigungsdaten aufnehmen, zugleich werden aber die Parameter der Verbindung wesentlich verändert, das integrierte Messelement hat also nicht mehr die gleiche Steifigkeit wie die Schraube ohne Sensor“, erklärt Schlecht. Daher müssen die genormten Bauteile komplett neu berechnet werden.