Schroefverbindingen op kritieke infrastructuren staan bloot aan grote spanningen en moeten daarom regelmatig worden gecontroleerd. Onderzoekers van het Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT hebben nu een technologie ontwikkeld – de Smart Screw Connection – waarmee de stabiliteit van de schroefverbindingen op elk moment door bewaking op afstand kan worden gecontroleerd. Dit verhoogt de veiligheid en vermindert de tijd en moeite die aan inspecties wordt besteed.
Schroeven komen we bijna overal tegen. Bijvoorbeeld op kranen, steigers, hoogbouw, bruggen, windturbines en machines van elke omvang, maar ook in productiefaciliteiten. Slijtage en de impact van verschijnselen zoals temperatuurschommelingen of trillingen kunnen er echter toe leiden dat een of meerdere schroeven losraken of zelfs helemaal loskomen. Dit kan fatale gevolgen hebben. Als gevolg hiervan zijn inspecties op regelmatige basis vereist voor veiligheidskritieke constructies. Een team van onderzoekers van de Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT heeft nu een oplossing ontwikkeld genaamd “Smart Screw Connection”. De oplossing combineert sensoren en radiotechnologie om schroefverbindingen op afstand betrouwbaar te bewaken.
Druktgevoelige sensoren
De Smart Screw Connection wordt geleverd met een schroef met een ring die is voorzien van een piëzoresistieve DiaForce dunne film. Bij het aandraaien van de schroef registreren de drukgevoelige sensoren de voorspankracht op drie punten. Elke verandering in de voorbelastingskracht verandert de elektrische weerstand in de DiaForce dunne film. “Als een schroef losraakt, wordt de resulterende verandering in weerstand gerapporteerd aan een radiomodule die zich op de schroefkop bevindt. De radiomodule stuurt op zijn beurt de gegevens naar een basisstation. Hier wordt de informatie van alle relevante schroeven in het object verzamelt”, legt Dr. Peter Spies, Project Manager en Group Manager Integrated Energy Supplies bij het Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS uit.
Betrouwbare gegevensoverdracht
De DiaForce dunne film is ontwikkeld door het Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST. Op het gebied van radiotechnologie heeft Fraunhofer IIS bijgedragen aan het mioty low-power wide-area network (LPWAN)-protocol. Deze technologie is in staat om kleine pakketjes gegevens over lange afstanden te verzenden, met een minimaal energieverbruik, van meer dan 100.000 sensoren via slechts één basisstation. Het basisstation kan bijvoorbeeld aan de rand van een windpark staan, dus enkele honderden meters of zelfs enkele kilometers verderop. Een softwareprogramma toont vervolgens de gegevens voor elke afzonderlijke schroef in een grafisch overzicht. Afhankelijk van de configuratie en toepassing wordt de status van de schroefverbindingen permanent, op basis van een gebeurtenis of met gespecificeerde intervallen verzonden.
Monitoring op afstand
“Met dit systeem voor monitoring op afstand kunnen we voor het eerst de stabiliteit van veiligheidskritieke infrastructuren te allen tijde, zelfs op afstand, in de gaten houden en elke relevante schroef goed controleren. Dit is een belangrijke troef op het gebied van veiligheid. Bij het inspecteren van een brug of windturbine hoeft er geen monteur ter plaatse te zijn en elke schroef afzonderlijk te controleren, aangezien alle gegevens naar het platform worden verzonden”, zegt Spies.
Toepassingen Smart Screw Connection
De Smart Screw Connection kan worden aangepast voor een breed scala aan toepassingen. Of het nu gaat om flensverbindingen in de industrie, voor de bouten in stalen liggers in hoogbouw, voor de dragende delen van bruggen of voor het bevestigen van rotoren aan windturbines – het systeem kan voor elk scenario individueel worden geconfigureerd en aangepast aan het betreffende belastingsprofiel.
Energiebron
De onderzoekers hebben ook het probleem van de energievraag op een hulpbronnenefficiënte manier opgelost. Het systeem werkt volgens het energieoogstprincipe. Hierbij wordt gebruik gemaakt van warmte of licht om elektriciteit op te wekken. In dit systeem wekt bijvoorbeeld een thermo-elektrische generator elektriciteit op uit de minieme temperatuurverschillen tussen de schroefkop en de omgeving. Het is ook mogelijk om de elektriciteit op te wekken door middel van zonnecellen. Het systeem is met andere woorden zelfvoorzienend.
Versleuteling beschermt tegen aanvallen van hackers
Beveiliging staat bij de Fraunhofer-onderzoekers hoog in het vaandel. Tijdens de installatie wordt elke afzonderlijke schroef, samen met de sensoreenheid en de radiomodule, in een afgeschermde programmeer-box geplaatst. De box geeft de schroef een individuele ID via de korteafstands-RFID, evenals het vereiste profiel en een individuele coderingssleutel. De radioverbinding van de schroeven naar het basisstation wordt ook tijdens de gegevensoverdracht versleuteld. “Zo voorkomen we dat criminelen of hackers het systeem saboteren. De technische staf die bijvoorbeeld een windturbine monitort, kan echt op de data vertrouwen”, legt Spies uit.
Fraunhofer IST, Fraunhofer IIS, evenals het Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF en het Fraunhofer Institute for Applied and Integrated Security AISEC zijn betrokken bij het project dat wordt geleid door de Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT.
De technologie is ontworpen voor in de handel verkrijgbare DIN-schroeven. Het systeem is klaar voor gebruik voor M18-schroeven en binnenkort zijn er versies beschikbaar voor M20- en M36-schroeven. Een demonstratieversie wordt tentoongesteld op de Hannover Messe 2022 (30 mei – 2 juni, hal 5, stand A06).
Ook interessant: Fraunhofer maakt industrie veerkrachtig in onzekere tijden