Welche Herausforderungen galt es zu lösen und welcher konkrete Nutzen ergab sich?

Für einen wirtschaftlich sowie ökologisch optimierten Verdichtungsprozess bei der Bodenverdichtung im Tiefbau sind sowohl eine minimale Verdichtungszeit als auch eine maximale Betriebsdauer erforderlich. Die Kenntnis über den Verdichtungsgrad und den strukturellen Zustand der Verdichterplatte des Anbauverdichters ist dabei von hoher Bedeutung. Wird die Verdichtungszeit minimiert und die Instandhaltung zustandsorientiert durchgeführt, lassen sich Kosten und Ressourcen einsparen. Mit Hilfe optimaler Prozessparameter kann die Prozessgüte und damit auch die Produktqualität gesteigert werden.
Aufgrund der rauen Umweltbedingungen sowie der hohen Beschleunigungsamplituden, die während der Verdichtungsprozesse auftreten können, muss das Sensorsystem robust und zuverlässig sein. Des Weiteren muss für die angestrebten Aufgaben des Funksensorsystems eine kontinuierliche Funkverbindung mit entsprechend hoher Datenübertragungsrate gewährleistet sein. Das führt zu hohen Anforderungen an Sensorsystem und Energieversorgung.
Den Projektpartnern ist es gelungen, während der Projektlaufzeit ein Funksensorsystem zu entwickeln, das diesen hohen Anforderungen gerecht wird. Das neue Sensorsystem bietet einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil: Es macht Prozesse effizienter, steigert die Prozessgüte und die damit verbundene Produktqualität.

Wie lässt sich der Industrie 4.0-Lösungsansatz beschreiben?

Als Kenngröße zur Bestimmung des Bodenverdichtungsgrades dient der sogenannte Klirrfaktor. Zur Ermittlung wird das Schwingverhalten der Bodenverdichterplatte in zeitlicher Auflösung gemessen. Um den modalen Schwingungszustand zu erfassen, wird zusätzlich eine räumliche Auflösung realisiert, indem das Schwingverhalten der Verdichterplatte an unterschiedlichen Punkten synchron erfasst wird. Mithilfe intelligenter Regelungskonzepte ist es dann möglich, in den Verdichtungsprozess einzugreifen und die Prozessparameter für eine minimale Verdichtungszeit und eine maximale Betriebsdauer anzupassen.
Um das Schwingverhalten der Bodenverdichterplatte in zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erfassen, wurde ein drahtloses Sensor-Netzwerk entwickelt, das aus mehreren energieautarken Sensorknoten besteht. Die elektrische Versorgung jedes Sensorknotens übernimmt ein kinetischer Energy Harvester, der die im Prozess auftretende Vibrationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Der energieautarke Betrieb der Sensorknoten minimiert den Wartungsaufwand für das drahtlose Sensorsystem.

Was konnte erreicht werden?

Mit einem energieautarken Funksensorsystem wurde der Schwingungszustand von Anbauverdichtern des Unternehmens MTS Maschinentechnik Schrode AG (MTS) kontinuierlich in zeitlicher und räumlicher Auflösung erfasst. Auf Basis der gewonnenen Daten konnte der Bodenverdichtungsgrad mithilfe einer Klirrfaktorberechnung bestimmt werden. Die Überwachung des Verdichtungsgrades während des Verdichtungsprozesses erlaubt es, das Verdichtungsende zu ermitteln – also den Zeitpunkt, ab dem keine weitere Verdichtung mehr möglich ist. Mit dieser Information kann der Verdichtungsprozess wesentlich effizienter durchgeführt werden. Eine Überbeanspruchung des Anbauverdichters kann dadurch verhindert werden:
„Cyber-physische Bausteine messen Vibrationen drahtlos und synchron ohne elektrische Energiezufuhr. Im Rahmen des Projekts haben wir eine konkrete Lösung für die Entwicklung cyber-physischer Produktionssysteme in rauen Umgebungen erarbeitet“, so Heinrich Walk, Projektkoordinator und Geschäftsführer der CADwalk GmbH & Co. KG.

Mit welchen Maßnahmen wurde die Lösung erreicht?

Im Rahmen des Spitzenclusters MicroTEC Südwest wurde ein energieautarkes Funksensorsystem für die Highspeed-Sensor-Telemetrie an Baumaschinen und Produktionsanlagen entwickelt. Hahn-Schickard konzipierte dazu einen kinetischen Energy Harvester zur Versorgung des Sensorsystems und entwickelt und optimierte ihn in mehreren Entwicklungsschleifen weiter. Das Funksensorsystem zur Erfassung von Beschleunigungen wurde von CADwalk GmbH & Co. KG bereitgestellt. Die Braun Elektronik plus Feinwerktechnik GmbH fertigte die Bauteile für das Gesamtsystem. Der Aufbau und Test des Sensorsystems erfolgte durch Hahn-Schickard. Feldversuche wurden bei den Unternehmen MTS und Rampf durchgeführt.

Was können andere davon lernen?

Der Erfolg des Projektes beruhte sowohl auf der engen Zusammenarbeit der Projektpartner als auch auf der kompetenten Durchführung der Entwicklungsarbeit.