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f+h fördern und heben 11/2017

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f+h fördern und heben 11/2017

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON INDUSTRIEMASCHINEN AUF BASIS VON ENERGY-HARVESTING-TECHNOLOGIEN 1 DER PROJEKTINHALT Wartung und Instandhaltung sind im industriellen Umfeld nicht immer leicht zu planen. Vor allem akute Ausfälle aufgrund verschleißbedingter Materialermüdung können zu erheblichen Stillstandskosten führen. Deshalb kann es entscheidend sein, mit einer Vielzahl von Sensoren nahezu permanent den Zustand von Bauteilen zu überwachen, um entstehenden Verschleiß genau beobachten und eine Wartung rechtzeitig ansetzen zu können. Eine große Herausforderung besteht in diesem Zusammenhang in der Energieversorgung dieser Sensoren, denn vor allem in verschleißanfälligen Umgebungen kommen kabelgebundene Sensoren kaum in Frage; so führen z. B. dauerhafte Vibrationen zu Kabelbrüchen bis hin zu verfrühten Ermüdungserscheinungen in der Sensorelektronik. Sensorknoten mit einer Batterie zu versorgen ist eine gängige Variante, die jedoch aufgrund des regelmäßig erforderlichen Tauschs der Batterie vergleichsweise kostenintensiv ist. 2 DAS PROJEKTZIEL Im Rahmen der aktuellen Diskussion und Entwicklungen rund um das Thema Industrie 4.0 spielt auch eine vorausschauende Wartung und Instandhaltung („Predictive Maintenance“) eine immer größere Rolle. Das IDH des VVL untersucht in diesem Zusammenhang im Projekt „Autosens“ Möglichkeiten zum technisch und wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von Energy-Harvesting-Technologien. Im Projekt „Entwicklung energieautarker, multisensorischer Systeme zur Zustandsüberwachung von Industriemaschinen auf Basis robuster, vernetzter Funksensoren“ (Autosens) untersucht das Dortmunder Institut für Distributions- und Handelslogistik (IDH) des VVL e. V. daher Möglichkeiten, durch den Einsatz von Vibrationsgeneratoren ausreichend Energie aus den Vibrationen von Maschinen in elektrisch nutzbaren Strom zur Versorgung von Sensorknoten zu gewinnen. Das Prinzip des Energy Harvesting umfasst mehrere Möglichkeiten zur Umwandlung von Umgebungs- in elektrische Energie. Am bekanntesten sind wahrscheinlich die Solarzelle zur Nutzung von Licht- und das Windrad zur Nutzung von Windenergie – weitere Varianten bestehen z. B. in der Umwandlung von Temperaturdifferenzen sowie Bewegungen (vor allem genutzt bei Automatikuhren) und von Vibrationen. Die Schwierigkeit bei allen Energieumwandlungen besteht darin, eine ausreichende Effizienz zu erzeugen. Während Windräder und Solarkraftwerke nahezu keinen Baugrößenbeschränkungen unterliegen, lassen sich Harvester in industriellen Umgebungen regelmäßig nur in begrenztem Bauraum einsetzen. Die dadurch vorgegebene Maximalgröße limitiert ihre potenzielle Energieausbeute bereits insgesamt, sodass ein hoher Wirkungsgrad erforderlich ist, d. h. die wenige zur Verfügung stehende Energie muss idealerweise verlustfrei umgewandelt werden. Tatsächlich kommen z. B. die verbreitet eingesetzten Solarzellen aktuell nur auf einen Wirkungsgrad von bis zu 15 Prozent, und das auch nur unter Laborbedingungen. Dr. Jochen Schneider ist stellvertretender Leiter des Instituts für Distributions- und Handelslogistik (IDH) des VVL e. V., Dortmund 34 f+h 2017/11 www.foerdern-und-heben.de

SYSTEMORIENTIERT DENKEN VERNETZT HANDELN 3 4 Das Vorhaben fokussiert daher auf einer möglichst großen Energieausbeute des Vibrationsgenerators, der durch das Projektkonsortium bereits im Projekt entwickelt wurde. Vor allem das notwendige Energiemanagementmodul zur Zwischenspeicherung der Ausgangsleistung reduziert die tatsächlich für Sensoren und Funkmodul zur Verfügung stehende Energie, sodass neben einer möglichst hohen Netto- Ausgangsleistung auch eine hocheffiziente Elektronik erforderlich ist. Im Projekt wurden daher unterschiedliche Varianten für verschiedene Resonanzfrequenzen entwickelt, um verschiedene Einsatzszenarien abdecken zu können. Je nach Maschinentyp und Applikationsort des Harvesters ergeben sich z. T. sehr unterschiedliche Frequenzbereiche, was Untersuchungen in zwei Unternehmen verschiedener Branchen anhand einer durchgeführten Fourier-Analyse gezeigt haben. Zudem wurden in einigen Fällen in die Dauervibrationen eingestreute Einzelstöße von mehr als 15 m/s² gemessen, was im Hinblick auf die erforderliche Robustheit des Harvesters bereits während der Konstruktion und bei der Werkstoffauswahl einzelner Komponenten zu berücksichtigen ist. DIE PROJEKTPARTNER Am Projekt beteiligt sind die Scemtec Sensor Technology GmbH und die Plastec Kunststofftechnikum Oberberg GmbH, die mit ihrem Know-how die zielgerichtete Entwicklung des Harvesters unterstützen. Das IDH übernimmt neben vereinzelten Designschritten auch entwicklungsbegleitende Analysen (z. B. FEM-Untersuchungen). Zu den weiteren Aufgaben des Instituts gehören das Testen von Funktionsmustern im Labor sowie in praxisnahen Unternehmensumgebungen. Der Projektpartner Scemtec Sensor entwickelt den Harvester aus technischer und elektronischer Sicht, während das Unternehmen Plastec für die fertigungstechnische Analyse und die Herstellung der notwendigen Kunststoffteile verantwortlich zeichnet. DER FÖRDERHINWEIS Das Vorhaben wird von der Europäischen Union und dem Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Das Projekt wird Ende 2018 abgeschlossen; interessierte Partner im Dortmunder Umfeld mit geeigneten Maschinen zur Durchführung von Praxistests sind gerne willkommen. Fotos: IDH www.vvl-ev.de Jahresabo Inland nur 140 € (inkl. MwSt. und Versandkosten) ➡ 10 Ausgaben im Jahr ➡ Begrüßungsgeschenk Bluetooth- Lautsprecher MSS-560.bt3 inkl. Zubehör; kompatibel mit Bluetooth- Smartphones, Tablets und PCs Sichern Sie sich den lückenlosen Bezug wertvoller Informationen! 6 Telefax: 06131-992/100 @ E-Mail: vertrieb@vfmz.de Internet: www.engineering-news.net & Telefon: 06131-992/147 www.foerdern-und-heben.de f+h 2017/11 35 FUH_Aboanzeige_90x265_2017_10.indd 1 13.10.2017 09:53:12

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