Smart Springs

Federelemente sind günstige Bauteile und werden häufig in, um ein vielfaches teurere, Produkte eingesetzt, in denen es auf eine einwandfreie Funktion über deren Lebensdauer ankommt.

Das Federelement übernimmt häufig eine wichtige Aufgabe und darf im Verlaufe des Betriebes weder an Kraft verlieren, noch versagen. Dies würde zu einem Qualitätsverlust des Bauteils oder sogar zum Ausfall des Produktes führen.

Eine gebrochene Ventilfeder im Motor eines Öltankers mitten auf dem Indischen Ozean, zum Beispiel, könnte dazu führen, dass das Schiff nicht mehr steuerbar ist und es im schlimmsten Fall zu einer Havarie und einer Katastrophe kommt.

Aber auch Federn, die an Orten eingebaut werden, welche schwer zugänglich sind, wie zum Beispiel Tellerfedern, die zur Erdbebensicherung in Gebäuden verbaut werden, üben wichtige Funktionen aus. Sie unterliegen dauerhaft einer statischen Last und müssen im Falle eines Erdbebens die Stosswellen aufnehmen können. Aufgrund der Einbausituation ist es nicht immer eindeutig bestimmbar, ob Sie im Betrieb der Auslegung entsprechend noch funktionieren oder im Laufe der Jahre unzulässig an Kraft verloren haben.

Diese Beispiele verdeutlichen eindringlich, welche Bedeutung Technische Federn im Betrieb haben können.

Die einwandfreie Funktion von Technischen Federn wird beim Hersteller zwar im Rahmen der Warenausgangsprüfung getestet, aber im Betriebsfall sind die Federn meist schwer zugänglich verbaut und können nicht auf Ihre Funktion geprüft werden. Zudem weichen die realen Umgebungsbedingungen, in denen die Feder eingesetzt wird, häufig von denen der theoretisch ausgelegten ab.

Mit diesem wichtigen Input hat sich das Innovationsteam der Federnfabrik Schmid beschäftigt und eine Idee auf den Weg gebracht, welche das Risiko eines Ausfalls des Bauteils in dem die Feder arbeitet minimieren kann: die Smart Spring.

Herzstück dieser Smart Spring ist der neu entwickelte Sensor. Dieser besteht aus einem Dehnungsmessstreifen, einem Temperatur-, einem Beschleunigungssensor, sowie einem Datenspeicher und einer Batterie. Die aufgenommenen Informationen können zwischengespeichert und drahtlos an einen PC, Smartphone oder Tablet weitergegeben werden.

Werden Federelementen belastet treten die maximalen Dehnungen üblicherweise an deren Oberfläche auf. Durch geeignete Applikation eines Dehnungsmessstreifens können diese gemessen werden und eine hinreichend genaue Aussage über die Belastung ist möglich. Besteht die Möglichkeit diesen Ist-Zustand über einen längeren Zeitraum aufzuzeichnen, kann der Zustand der Feder charakterisiert werden. Hierfür werden unter anderem die auftretenden Spannungen, respektive Dehnungen, sowie die Anzahl der auftretenden Dehnungsmaxima ausgewertet, um eine Aussage über die verbleibende Lebensdauer, den Kraftverlust über eine gewisse Zeitdauer oder Informationen über auftretende Spannungsspitzen zu erhalten.

Da Bauteile häufig nicht dauerfest, sondern betriebsfest ausgelegt werden, ist es von grosser Bedeutung die realen Zustände genau zu kennen. Hierbei spielen nicht nur die Belastungsarten wie statisch, dynamisch oder schlagartig eine Rolle, sondern die möglichen Kerbstellen, Steifigkeitssprünge im Bauteil, die Fertigungseinflüsse, wie Eigenspannungen, Oberflächen oder Randschichten, der Werkstoff mit seiner Festigkeit, Härte und Zähigkeit als auch Einflüsse aus der Umgebung (Umwelt) wie Temperatur oder Feuchtigkeit. Üblicherweise sind die realen Einflüsse nicht hinreichend bekannt und man nutzt theoretische Kennwerte, z.B. aus dem einachsigen Zugversuch, um die dreidimensionale Ist-Situation der mechanischen Festigkeit möglichst gut abzubilden.

Zurzeit werden Federn gegenüber theoretischen Lastspannungen ausgelegt. Diese Lastspannungen sollten ein gewisses Niveau nicht überschreiten, da sich ansonsten ein Kraftverlust einstellen könnte. Die Berechnung der Lastspannung erfolgt aufgrund von theoretischen Annahmen und wird üblicherweise nicht in Bauteilversuchen bestätigt, da diese in den meisten Fällen zu zeit- oder kostenintensiv sind. Mit der Smart-Spring ist es nun möglich die realen Lastspannungen der Feder in der Anwendung zu messen und zu bewerten. Abweichungen zwischen Theorie und Praxis können schnell detektiert und notwendige Anpassungen eingeleitet werden. Die Messung lässt sich auch über einen längeren Zeitraum durchführen. Aufgrund eines durchdachten Energiekonzeptes wird es möglich sein die Smart Spring bis zu 10 Jahre zu betreiben.

Zudem ermöglicht es die drahtlose Datenübertragung, die bei DMS sonst üblichen Verkabelungen zu vermeiden. Kabelbrüche oder schwer zugängliche Einbauorte sind für die Smart-Spring kein Thema mehr.

Aufgrund der kontinuierlichen Datenauswertung können reale Belastungsprofile erstellt und schädliche Unregelmässigkeiten, wie Spannungsspitzen, leichter erkannt werden. Bei zeitfest ausgelegten Federn wird eine Aussage über die verbleibende Lebensdauer oder die Ausfallwahrscheinlichkeit möglich.

Die Smart Spring wird zum «Gehirn» der Feder und gibt an, wie ihr Zustand ist und wann ein Austausch sinnvoll erscheint bevor sie versagt.

Eine App zur Auswertung hilft dem Benutzer ein detailliertes Bild über den Zustand seiner Feder zu erhalten. Es besteht so die Möglichkeit verschiedene Kennzahlen zu ermitteln und ein Mass für einen kritischen Zustand zu definieren. Ein so definierter Alarm, welcher auch in der App erscheint, führt zu einem Hinweis, um den Betreiber der Feder zu informieren.

Mit dieser Neuentwicklung können auftretende Schadensereignisse rechtzeitig erkannt werden. Das Bauteil wird dann im Rahmen einer geplanten vorbeugenden Instandhaltung ersetzt bevor ein grösserer Defekt entstehen kann. Der Einsatz der Smart Spring vermeidet so teure Folgekosten.

Durch geschickte Vernetzung des Sensors kann die Überwachung der Feder sogar von jedem Ort der Welt aus erfolgen. Es können mehrere Smart Springs, die parallel in einer Anwendung arbeiten, von einem Führerstand oder in einem Büro zentral überwacht werden. Jede Smart Spring kann mit einem individuellen Namen versehen werden, damit bei parallelen Anwendungen eine eindeutige Zuordenbarkeit der Federn in der Auswerte-App gegeben ist. Ausserdem hat sie eine Status LED, die ohne App, vor Ort schnell und unkompliziert Auskunft über deren Zustand gibt.

Die Idee der Smart Spring wurde 2019 mit dem Innovationspreis «Digital Journey» des CSEM SA (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique) ausgezeichnet. Das CSEM hat die Aufgabe die Wettbewerbsfähigkeit der Schweizer Industrie, insbesondere Mikrotechnologien, sicherzustellen. Sie fungiert als Brücke und Katalysator für den Technologie- und Knowhow-Transfer zwischen Wissenschaft und Wirtschaft und zeichnet herausragende Ideen aus. 

Der Preis ist mit CHF 100’000 dotiert und wird jährlich an KMUs vergeben, die Ihre jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet der industriellen Produktion in einen digitalen Ansatz überführen.