Ausgangslage

Durch die Integration von Sensorik werden konventionelle Maschinenelemente zu cyber-physischen Systemen. Im Schwerpunktprogramm 2305 liegt der Fokus auf der direkten Integration von Sensorsystemen in die mechanische Struktur konventioneller Maschinenelemente, wie z. B. Schrauben, Zahnräder oder Wälzlagern, die damit zu sensorintegrierenden Maschinenelementen [SiME] werden. Die systematische Entwicklung von SiME, insbesondere unter Berücksichtigung eines stark limitierten Bauraums, eines effizienten Datenmanagements und eines autarken Energiehaushalts, stellt hierbei eine wesentliche Herausforderung dar. Die notwendige interdisziplinäre Kollaboration zwischen den Bereichen Mechanik, (Mikro-) Elektronik und Software erfordert eine frühzeitige, abgestimmte Vorgehensweise der unterschiedlichen Entwicklungsdomänen. Dies soll durch einen mikroelektronischen Modulbaukasten für sensorintegrierende Maschinenelemente [MiMoSe] unterstützt werden.

Nachdem in der ersten Förderperiode im Projekt „MiMoSe“ Modelle zur Modulbaukasten-basierten Entwicklung von SiME entwickelt und implementiert wurden, gilt es nun in dem Folgeprojekt „MiMoSe II“ darum offene Forschungsfragen zu schließen und die Funktionalität des Modulbaukastens zu erweitern. Neue Aspekte sind unter anderem die Bereiche Energieautarkie, Drahtloskommunikation und Updatefähigkeit sowie eine Unterstützung bei der Auswahl von Prüfverfahren.

Die Entwicklung der Methodik erfolgt am Beispiel von sensorintegrierenden Schrauben und nutz die Kompetenzen eines interdisziplinären Teams mit den Projektpartnern PKT (TU Hamburg) -methodische Produktentwicklung-, MST (TU Hamburg) -Mikroelektronik- und pmd (TU Darmstadt) -Maschinenelemente-.

Projektziele

Grob zusammengefasst ist das Hauptziel des Forschungsprojekts MiMoSe, Ingenieurinnen und Ingenieure durch eine Methodik bei der Entwicklung von sensorintegrierenden Maschinenelementen zu unterstützen. Dafür soll der im Vorgängerprojekt entstandenen mikroelektronischen Modulbaukastens erweitert werden mit besonderem Fokus auf die Aspekte Autarkie und Prüfverfahren. Als Anwendungsbeispiel dienen weiterhin sensorintegrierende Schrauben, wobei im Projektverlauf auch weitere Maschinenelemente in den Modulbaukasten aufgenommen werden.  Als Abschluss und Funktionsnachweis des Projekts sollen mit Hilfe des Baukastens und eines Konfigurators geeignete Sensorsysteme generiert, prototypisch realisiert und experimentell untersucht werden.

Vorgehensweise

Im Projekt wird ein angepasstes V-Modell verwendet, das die unterschiedlichen Entwicklungsdomänen, Produktarchitekturen verschiedener Maschinenelemente und Ebenen der Systemintegrationen berücksichtigt. Die Entwicklung erfolgt schrittweise aber auch iterativ: Zunächst werden Anforderungen aus den Bereichen Mechanik, Elektronik und Software durch die Analyse verschiedener Einsatzszenarien ermittelt. Die Anforderungen umfassen eine zuverlässige Datenerfassung, -verarbeitung und -speicherung, Energieversorgung sowie die Sicherstellung der Hauptfunktion des Maschinenelements. Zudem sind sie in verschiedenen Ebenen gegliedert von allgemeinen Anforderungen an SiME bis hin zu maschinenelementspezifischen Anforderungen. Darauf basierend werden verschiedene Eigenschafteten zugeordnet und diese Eigenschaften wiederum zu Komponenten und Modulen geclustert. Dies definiert die Systemarchitektur, die als Grundlage für die modulare Systementwicklung dient.

Die Systemintegration gliedert sich in drei Stufen: Einzelne Komponenten und Module werden zunächst separat getestet, anschließend schrittweise zu Systemen zusammengeführt und schließlich in Maschinenelemente integriert. Funktionstests erfolgen auf allen Integrationsstufen, bevor das Gesamtsystem im Anwendungsumfeld verifiziert wird.

Die Elemente und Logik dieses Verfahrens werden ganzheitlich in den Modulbaukasten aufgenommen und in einer Entwicklungsumgebung basierend auf SysML modelliert. Auch Ergebnisse aus den Funktionstests oder der Verifizierung werden zurück in den Modulbaukasten überführt, um eine breite Datenbasis aus Erfahrungen zu generieren.

Das Vorgehensweise kann Zunächst werden, wie in Abbildung 2 dargestellt, Anforderungen an SiME aufgestellt. Durch eine Verknüpfung von Anforderungen und Modulen können anschließend  für einzelne Module, wie zum Beispiel Energiemodule oder Drahtloskommunikation, in SiME anhand von Schrauben ermittelt. Ausgehend von den ermittelten Anforderungen werden anschließend erforderliche Produkteigenschaften festgelegt und relevante Prüfverfahren ermittelt. Es wird untersucht, ob eine methodische Verknüpfung zwischen spezifischen Anforderungen und Prüfverfahren möglich ist und wie diese im Modulbaukasten aufgenommen werden kann. Im Anschluss werden für die jeweiligen Teilfunktionen die erforderlichen Module ermittelt, deren Kompatibilität untereinander analysiert und Wechselwirkung mit dem bereits evaluierten Prototypen sowie dessen Funktionserhalt am integrierten Maschinenelement untersucht. Die Erprobung des erweiterten Modulbaukastens erfolgt abschließend anhand von sensorintegrierenden Schrauben. Hierzu werden Demonstratoren sowie eine geeignete physische Testumgebung zu deren experimentellen Untersuchung entwickelt. Der Fokus liegt hierbei auf statischen und auf harmonisch dynamischen Versuchen sowie der Erfassung der relevanten mechanischen Größen. Durch den Abgleich der ermittelten Messdaten mit den Prognostizierten erfolgt der Funktionsnachweis der entwickelten SiME und des Modulbaukastens.