Schraube mit maschinenlesbarem 2D-/ 3D-/ Hologramm-Informationsspeicher

Beim Fügen von Bauteilen spielt die Verschraubung als lösbare Verbindung nach wie vor eine zentrale Rolle. Dabei gelingt es der Schraubtechnik immer wieder, mit Hilfe „intelligenter“ Verbindungselemente weitere Pluspunkte in der Fertigung zu sammeln. Gewindeformende Schrauben beispielsweise senken Kosten, indem sie den Arbeitsgang „Gewinde formen“ während des Montageprozesses übernehmen. So werden die Produktionsprozesse rationeller, und die Gesamtkosten der Verbindung sinken.

Richtig intelligent werden Befestigungsmittel wie Schrauben, Muttern, Niete und Unterlegscheiben aber dann, wenn sie mit einem maschinenlesbaren Informationsspeicher ausgestattet werden und Informationen über sich, ihren Herstellvorgang und die zu erfüllende Montageaufgabe mitbringen. Die hier vorgestellte patentierte Entwicklung umfaßt Informationsspeicher in Form von 2D-, 3D-Codes oder in Form von Hologrammen.

Innovative Hersteller erfüllen diese Nachweispflichten mit einem Traceability-System. Hierin sind die Ergebnisse der jeweiligen Produktionsprozesse, die Identifikation aller zu einem Produkt gehörenden Bauteile sowie die Zuordnungsmatrix der verbauten Teile dokumentiert. Die Teileidentifikation selbst erfolgt über einen Informationsspeicher auf dem eine eindeutige Teileidentnummer abgelegt ist. Der Informationsspeicher wird über ein Lesegerät oder einen Scanner ausgelesen, und in einer zentralen Datenhaltung werden den identifizierten Produktkomponenten weitere Informationen über den Herstellprozeß (Maschinendaten, Prozeßdaten, Prüfdokumentation, Reparaturdaten, Austauschdaten etc.) zugeordnet. So können im Traceability-System die Produktions- und Teileinformationen eines Produktes bis auf die Einzelteilebene und über die gesamte Herstell- und Lieferkette rückverfolgt werden.

Als Informationsspeicher auf Produkten kommen prinzipiell optisch-, magnetisch- oder per funk-auslesbare Informationsspeicher in Frage. Für Einzelkomponenten sind insbesondere die optischen Informationsspeicher sehr gut geeignet, da sie einfach und günstig auf die Teileoberfläche aufzubringen sind. Hier etablieren sich in jüngster Zeit neben den eindimensionalen Informationsspeichern, wie z.B. dem Strichcode, insbesondere zweidimensionale Matrixcodes. Ein solcher Matrixcode besitzt eine hohe Informationsdichte auf kleinster Fläche und erlaubt über die Verwendung von redundanten Informationen eine Fehlerkorrektur, so daß auch verschmutzte oder beschädigte Codes gelesen und decodiert werden können.

Werden nun Befestigungsmittel wie Schrauben, Muttern, Niete oder Unterlegscheiben mit einem maschinenlesbaren Matrixcode ausgestattet, sind sie in der Lage, Informationen über sich, ihren Herstellvorgang und die zu erfüllende Montageaufgabe mitzubringen. Damit wird der aufgebrachte Matrixcode zu einem individuellen „Produktpaß“ für jedes Einzelteil. Neben der Einzelidentifikation des Verbindungselementes lassen sich hier auch Teile- und Seriennummer, die Chargennummer des Herstellers oder auch das Herstellungsdatum ablegen. Ebenso können durch die im Informationsspeicher abgelegten Daten auch die Montagegeräte „intelligenter“ gemacht werden: Hierbei liefert der Informationsspeicher des Verbindungselementes dessen Handhabungsparameter, Montagevorgaben oder auch die Festlegung von Montageort und Montagestelle. Über einen Abgleich der Informationen von Verbindungselement und Schraubersteuerung kann z.B. eine falsche Montage sofort erkannt und verhindert werden.

Weiterhin ist es möglich, über einen maschinenlesbaren Matrixcode fälschungssichere Verbindungselemente bereitzustellen. Hierfür erhält jedes einzelne Verbindungselement eine individuelle verschlüsselte Identifikationsnummer. Der Hersteller liefert seinem Kunden neben der Liefercharge auch eine Liste der dazugehörigen Identifikationsnummern mit und stellt ihm, beispielsweise über das Internet, einen Entschlüsselungsalgorhythmus zur Verfügung. Durch das Auslesen des Informationsspeichers, der Entschlüsselung der Identifikationsnummern und den Vergleich mit der Schlüsselliste kann der Kunde so die Originalität jedes einzelnen Verbindungselementes prüfen. Tauchen nun Verbindungselemente auf, die einen identischen Code aufweisen oder deren Informationen sich nicht entschlüsseln lassen, so liegt die Vermutung nahe, daß es sich um Fälschungen oder Plagiate handelt.

Insbesondere sicherheitsrelevante und sicherheitskritische Verbindungen, wie sie beispielsweise im Fahrzeugbau, in der Luftfahrt, für Windkraftanlagen, im Bereich der chemischen Industrie, der Wehrtechnik, im Hochbau oder auch im Kraftwerksbau zu finden sind.

Zahlreiche dieser Anwender werden zukünftig auf diese Technik setzen, u.a. um den oben aufgezeigten Rückverfolgbarkeits- und Dokumentationspflichten Rechnung zu tragen oder auch um auf dem Ersatzteilmarkt eine bessere Sicherheit gegen Produktpiraterie zu gewährleisten.

Vorspannkraftgesteuertes Anziehen von Schrauben an Windkraftanlagen

Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz der Digifast®-Technologie findet sich in der Windkraftbranche: Das Unternehmen Intellifast GmbH versieht Schrauben mit Ultraschall-Sensor und 2D-Barcode zur Speicherung einer Identifikationsnummer und ultraschalltechnischer Informationen. Diese Kombination erlaubt die schnellstmögliche exakte Bestimmung der aktuellen Schraubenspannung bei der Montage der Windkraftanlage.

Dafür wird mit Hilfe eines dauerhaft aufgebrachten und widerstandsfähigen Sensors ein Ultraschall-Signal erzeugt, das die Schraube durchläuft, am Schraubenende reflektiert und vom Sensor wieder empfangen wird. Die Änderung der Laufzeit dieses Signals durch Vorspannung der Schraube bezogen auf die Laufzeit im unverspannten Zustand liefert zu jedem Zeitpunkt einen exakten Wert für die aktuelle Vorspannkraft in der Schraube.

Das Permanent Mounted Transducer System verbindet die Verschraubungstechnik nahtlos mit der Ultraschallmesstechnik. Die Intellifast GmbH stattet dazu Standardschrauben mit einem dauerhaften Ultraschall-Sensor aus. Mit Hilfe eines Messpins, der in das Standard-Anziehwerkzeug integriert wird, kann direkt während der Montage die genaue Vorspannkraft gemessen werden. So erhält man aktuelle Informationen über den Zustand der Schraubenverbindung.

Das PMT System wird durch intelligentes Messgerät komplettiert. Es ermöglicht die einfache und zerstörungsfreie Vorspannkraftmessung im verschraubten Zustand und ist somit ein unverzichtbares Inspektionswerkzeug.

(Mit freundlicher Genehmigung der Intellifast GmbH.)

Auf der Husum WindEnergy Messe wurde von der Fa. Intellifast eine extrem einfach handhabbare Technik zur Schraubenidentifikation, zur vorspannkraftgesteuerten Schraubenmontage und zur Vorspannkraftdokumentation mittels codierter Sensorschrauben vorgestellt.

Hierzu können Sie zwei kurze Filme ansehen, die Sie auf der rechten Seite anklicken können.

Der erste Film ("Bolt identification") zeigt wie schnell der Barcode-Leser die Schraube erkennt und alle notwendigen Informationen einliest, die zur Messung der Schraube im Feld erforderlich sind, ohne dass eine Referenzdokument (z.B. ein Protokoll-File des Montage-prozesses) vorhanden ist: 

Der auf der Schraube gespeicherte Identifikationscode beinhaltet die BIR-File-Nummer, die es dem Messgerät "LP3000B" ermöglicht, automatisch die richtigen Ultraschalleinstellungen zum Messen der Schraube auszuwählen sowie die Zielvorspannkraft der Anwendung zu finden und anzuzeigen. Zusätzlich werden dem Code Informationen entnommen, die es dem System erlauben, die individuelle BTOF (Base-time-of-flight, Ultraschalllaufzeit im unverspannten Zustand) zu errechnen und als Referenzwert für die Berechnung der aktuell vorhandenen Vorspannkraft zu verwenden. Mit dem nächsten Tastendruck wird ein vollständige Dokumentation des Spannungszustandes der Schraube (inklusive Datum, Uhrzeit, Temperatur, ggf. Kommentar, etc.) abgespeichert.

Der zweite Film ("Load controlled tightening") zeigt, wie eine Windanlagen-Turmschraube durch das Drücken eines einzigen Knopfes auf Zielvorspannkraft gebracht wird. Wenn die Zielvorspannkraft erreicht ist, sendet das LP3000B ein Stopp-Signal an die Hydraulikpumpe des Anziehwerkzeuges. Wieder führt der anschließende Tastendruck am LP3000B zur Dokumentation der Vorspannkraft.

Link: www.intellifast.de

Nutzen und Kosten der Kennzeichnung von Verbindungselementen müssen gegeneinander abgewogen werden. Geht man von Kennzeichnungskosten zwischen 1 und 5 Cent je Verbindungselement aus (abhängig von der Teilegröße und der Teilegeometrie), so fallen die Kennzeichnungskosten um so weniger ins Gewicht, je teurer der Grundpreis für ein Verbindungselement ist. Zusätzlich ist der Nutzen der Rückverfolgbarkeit bis auf Teileebene zu bewerten, und zu prüfen, ob bei Rückrufaktionen durch die Eingrenzung der betroffenen Produkte nicht Beträge eingespart werden, die den Wert der gesamten verbauten Verbindungselemente bei weitem übersteigen.