Abb. 1: Silizium-DMS / Abb. 2: Simulation der am Schraubenkopf angreifenden Vorspannkraft
Am CiS Forschungsinstitut werden derzeit neuartige siliziumbasierte MEMS-Sensoren zur Überprüfung sicherheitsrelevanter Schraubverbindungen entwickelt. Derartige Spezialschrauben werden z.B. im Maschinenbau, in der Fördertechnik und in Windkraftanlagen eingesetzt.
Der neue Sensor wird auf dem Schraubenkopf appliziert und misst dessen Verformung aufgrund der Schraubenvorspannkraft. Die Schraubenvorspannkraft – nicht zu verwechseln mit dem Drehmoment – wirkt zwischen Gewinde und Schraubenkopf auf die zu verbindenden Werkstücke. Sie bewirkt in allen Teilen der Schraube eine elastische Verformung. Am Schraubenkopf ist diese messtechnisch einfach zugängig, zu erfassen. Bisher konnte die Dehnung der Schraube nur über eine Längenmessung der Schraube oder über am Schraubenschaft angebrachte Dehnmessstreifen gemessen werden. Diese Lösungen sind speziell zur Bewertung einzelner Schrauben geeignet. Der vom CiS Forschungsinstitut entwickelte MEMS-Sensor besteht aus vier piezoresistiven dehnungsempfindlichen Messwiderständen, welche zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind. Die aktive Fläche ohne die elektrischen Anschlüsse beträgt nur (200 x 200) µm², bei einer Dicke von 10 µm (Abb. 1). Der Sensor wird mittels Glaslot auf den Schraubenkopf gefügt. Durch eine FEM-Analyse wurde die bestgeeignete Position am Schraubenkopf lokalisiert (Abb. 2).
Gemessen werden kann die Vorspannkraft während des Anziehens der Schraube unmittelbar mit dem Schraubwerkzeug oder alternativ, z.B. bei der sicherheitstechnischen Überwachung von Schraubverbindungen, berührungslos über einen zusätzlich integrierten RFID-Transponder.
Mit der neuen Sensortechnologie kann der Anwender nicht nur die Zuverlässigkeit und Sicherheit im technischen System verbessern, sondern auch Material und Kosten sparen.
Besuchen Sie uns zur Präsentation der Entwicklungsergebnisse:
Hannover Messe, 24.-28. April 2017, Hannover, Halle 4 Stand F34
SMT Hybrid Packaging, 16.-18. Mai 2017, Nürnberg, Halle 4, Stand 239B
SENSOR+TEST, 30. Mai – 1. Juni 2017, Nürnberg, Halle 1 Stand 1-150
