Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im Mai 2020 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Sensorintegrierende Maschinenelemente als Wegbereiter flächendeckender Digitalisierung“ (SPP 2305) beschlossen. Das Programm ist auf eine Laufzeit von sechs Jahren ausgerichtet. Die DFG lädt ab sofort zur Antragstellung für die erste dreijährige Förderperiode ein.

Problemstellung

Die Digitalisierung bietet enormes Potenzial für gesellschaftlich bedeutsame Innovationen. Um dieses Potenzial in der Breite umsetzen und sicher nutzen zu können, werden umfangreiche und zuverlässige Daten zum Betriebszustand von Maschinen benötigt. Nachdem sich in praktisch jeder Maschine in direkter Prozessnähe standardisierte Maschinenelemente befinden, wie z.B. Schrauben, Lager, Zahnräder, Dichtungen und Welle-Nabe-Verbindungen, bietet es sich an, in diese Maschinenelemente Sensorsysteme für unterschiedlichste prozessrelevante Messaufgaben zu integrieren, um Daten in-situ zu erfassen und auszuwerten.

Zielsetzung

Im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms sollen die wissenschaftlichen Grundlagen für sensorintegrierende Maschinenelemente (SiME) und deren methodisch gestützte Konzeptionierung und Systemintegration erforscht werden. Im Fokus stehen „gewöhnliche“ Maschinenelemente als standardisierte Basiselemente des Maschinenbaus mit definierter Gestalt und Auslegung, welche im Allgemeinen nicht ohne den Verlust ihrer Primärfunktion zerstörungsfrei zerlegbar sind.

Ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt soll auf der systematischen und wissenschaftlich fundierten Identifikation und Nutzung von physikalischen Effekten und begleitenden Phänomenen liegen, die in SiME und bei deren Integration in das jeweilige Zielsystem auftreten und potenziell genutzt werden können. Die Positionierung der Messstelle, der analog-digital-Wandlung und der Datenaufbereitung direkt in die mechanische Struktur des Maschinenelements soll dabei perspektivisch einen deutlichen Mehrwert gegenüber dem gegenwärtigen Stand von Forschung und Technik hinsichtlich der erreichbaren Informationsqualität bieten.

Erforscht werden sollen auch Aspekte des Energiehaushalts von Sensorik und Informationsverarbeitung und deren Einflüsse auf das SiME und das Gesamtsystem. Die resultierende wissenschaftliche Herausforderung ist das Erstellen eines Rahmenwerks zur Auslegung, das die etablierten Standards geeignet ergänzt. Dabei sind die methodischen Grundlagen für die zugrunde liegenden Wirkprinzipien sowie die Adaption bei der Sensorintegration unter Verwendung bestehender Sensorik wissenschaftlich zu erarbeiten.

Für die gesamte Produktentwicklung ist die frühzeitige und objektive Bewertung der Auswirkungen der Sensorintegration auf die Primärfunktion des Maschinenelements eine wesentliche wissenschaftliche Herausforderung. Die Integration von Datenerfassung und -analyse in die Maschinenelemente soll die mechanischen Funktionen, den ursprünglichen Bauraum und die Systematik der üblichen Schnittstellen kaum beeinflussen.

Zusätzlich müssen auch die Konstruktionsmethoden zur Integration von SiME vorausgedacht und erarbeitet werden. Diese müssen dabei die Anforderungen und Eigenschaften der SiME sowie des Gesamtsystems berücksichtigen. Zur Absicherung ist eine Analyse- beziehungsweise Testumgebung erforderlich, um die SiME mittels virtueller (Simulationen) oder physischer Modelle (Hardwareprüfstände) zu erproben.

Gegenstand der ersten Förderperiode ist die methodische Integration von Sensorsystemen in gewöhnliche Maschinenelemente und der prinzipielle Funktionsnachweis von SiME-Prototypen im Labormaßstab. Sensorische und mikroelektronische Komponenten sollen unter Beibehaltung der Gestalt der Maschinenelemente bauraumneutral und ohne Beeinträchtigung der Primärfunktion in diese integriert werden. Das integrierte Sensorsystem im SiME soll Messwerte erfassen, diese mit geeigneten, updatefähigen Algorithmen verlustarm reduzieren und drahtlos und zuverlässig übertragen. Die Datenübertragung und die Energieversorgung des SiME soll auf Basis des derzeitigen Forschungsstands erfolgen.

Arbeitprogramm und Eingrenzung

Im Fokus des Schwerpunktprogramms steht die Integration von Sensoren in „gewöhnliche“ Maschinenelemente sowie die Datenerhebung und generische Datenanalyse. Die Sensorintegration darf weder die Schnittstellen noch die Gestalt des Maschinenelements modifizieren, damit das SiME generisch und domänenübergreifend nutzbar bleibt. Der reine Anbau eines Sensors ist nicht gewünscht.

Die Nutzung soll nicht auf bestimmte Szenarien oder Anwendungen eingeschränkt werden, die Einbindung und Nutzung der gewonnenen Informationen in KI-Systemen und die Gesamtprozessregelung des Systems sind genauso wenig Gegenstand des Schwerpunktprogramms wie eine detaillierte Ausarbeitung von Nutzungsszenarien und Algorithmen zur Auswertung.

Die Projekte sollen ein Grobkonzept zur Fertigung von Prototypen zur Anforderungsermittlung für den SiME-Herstellprozess beinhalten; nicht im Fokus des Schwerpunktprogramms stehen dagegen die Erforschung der fertigungstechnischen Fragestellungen für SiME, die Fertigungsprozessentwicklung sowie die Fertigungstechnologieentwicklung.

Die Entwicklung spezieller mikroelektronischer oder sensorischer Bausteine oder von Protokollen zur Datenübertragung soll nicht im Fokus stehen, vielmehr sollen vorhandene Komponenten nach aktuellem Stand der Technik oder Forschung sowie bestehende Protokolle zur Datenübertragung genutzt werden.

Die bekannten Prinzipien des Energy-Harvestings und -managements zur Energieversorgung des integrierten Sensorsystems sowie die Konzeption von Protokollen zur Datenübertragung und -sicherheit sollen aufbauend auf dem Stand der Forschung an die Anwendung im SiME adaptiert werden. Der SiME-Energiehaushalt ist frühzeitig in die Konzeptionierung einzubeziehen, um die spätere Realisierbarkeit bewerten zu können. Die Entwicklung von Energy-Harvestern oder Energiespeichern steht nicht im Fokus.

Für den SiME-Prototyp ist ein schrittweiser Funktionsnachweis zu führen – in der ersten Förderperiode zunächst an virtuellen oder hybriden Prototypen, zum Beispiel mittels XiL-Ansatz. Dabei ist die Integration der Energieversorgung, der prozessnahen Datenauswertung und -übertragung auch bei widrigen Bedingungen, wie extreme Temperaturen, Ölnebel, Fliehkräfte oder elektromagnetische Unverträglichkeit, zu berücksichtigen. Vereinfachungen der Energieversorgung oder des Datentransfers sind zu begründen.

Aufgrund der komplexen Herausforderungen ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erforderlich. Daher werden Verbundvorhaben unterschiedlicher Disziplinen besonders zur Antragstellung ermutigt.

Programmausschuss

Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl

Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG)

Technische Universität München

(Sprecher und Koordinator SPP 2305)

Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kirchner

Department of Product Development and Machine Elements

Technical University Darmstadt

(Stellvertretender Sprecher SPP 2305)

Prof. Dr.-Ing. Diana Göhringer

Professur Adaptive Dynamische Systeme

Technische Universität Dresden

(Programmausschuss SPP 2305)

Prof. Dr.-Ing. Sven Matthiesen

Lehrstuhl für Gerätekonstruktion und Maschinenelemente (IPEK)

Karlsruher Institut für Technologie

(Programmausschuss SPP 2305)

Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofmann

Fachgebiet Integrierte Elektronische Systeme (ies)

Technische Universität Darmstadt

(Programmausschuss SPP 2305)

Organisatorische Koordination

Marvin Zander, M. Sc.

Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG)

Technische Universität München

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