2025-04-092025-04-09https://hdl.handle.net/11420/55314Die systematische Entwicklung sensorintegrierender Maschinenelemente (SiME), insbesondere unter Berücksichtigung des stark limitierten Bauraums, der Erhaltung der Primärfunktion, eines effizienten Datenmanagements und eines autarken Energiehaushalts stellt eine wesentliche Herausforderung im Bereich der mechatronischen Entwicklung dar, die aktuell methodisch nicht unterstützt wird. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, am Beispiel von Befestigungsschrauben einen modellbasierten mikroelektronischen Modulbaukasten (MBK) zur systematischen Entwicklung von modularen Sensorsystemen (MSS) für SiME zu konzipieren. Der MBK wird anhand Sensor-integrierender Schrauben (SiSch) und weiterer SiME erprobt, um anwendungsfallspezifisch MSS aus Elektronikkomponenten für Maschinenelemente konfigurieren und vorauslegen zu können. Neben der Entwicklung der SiME wird auch deren Funktionsnachweis durch die automatisierte Ableitung geeigneter Prüfverfahren aus dem MBK heraus betrachtet. Dies wird durch die dafür notwendige Kollaboration zwischen den unterschiedlichen Projektpartnern aus den Bereichen Mechanik, (Mikro-) Elektronik, Software sowie Konstruktionsmethodik erreicht. In der zweiten Förderperiode werden zunächst Anforderungen an die Autarkiefähigkeit der SiME definiert. Darunter zählen eine drahtlose Datenübertragung, eine nicht lebensdauerbegrenzende Energieversorgung der mikroelektronischen Systeme sowie deren Updatefähigkeit. Die zusätzlichen Anforderungen, erforderliche Komponenten, Schnittstellen und Protokolle werden in den modellbasierten MBK in der Modellierungssprache SysML implementiert, um autarke MSS konfigurieren zu können. Die anwendungsfallspezifische Kombination von Modulvarianten und eine Konfiguration unterschiedlicher Lösungsalternativen für MSS in SiME soll Vorteile in der Entwicklung von SiME erlauben, z. B. durch die Identifikation von Synergiepotentialen über die verschiedenen SPP-Projekte hinweg. Die Systemkonfiguration und -vorauslegung erfolgt weiterhin nach den definierten Grundstrategien daten-, energie- und bauraumoptimiert. Zusätzlich sollen in der zweiten FP Prüfverfahren zum Funktionsnachweis identifiziert und im MBK hinterlegt werden. Basierend darauf werden neben der Konfiguration MSS auch die für dessen Funktionsnachweis erforderlichen Prüfverfahren vorgeschlagen. Dafür werden drei Integrationsstufen (IS) definiert, die jeweils lose Komponenten und Module beschreiben (IS 0), Integrierte Module, Systeme und Schnittstellen (IS I) und zuletzt MSS im Maschinenelement (IS II). Eine Konfiguration eines autarken MSS aus dem MBK heraus wird exemplarisch für eine prototypische Umsetzung in Form von Demonstratoren ausgewählt. Die prototypisch realisierten MSS-Demonstratoren werden integriert und die entstehenden SiSch werden anschließend in Tests auf ihre Autarkiefähigkeiten und sensorischen Funktionen untersucht. Die Prüfergebnisse werden in den MBK zurückgeführt, um valide (Teil-) Konfigurationen in Zukunft priorisiert nutzen zu können.The systematic development of sensor-integrating machine elements (SiME), in particular taking into account the severely limited installation space, the preservation of the primary function, efficient data management and a self-sufficient energy budget represents a major challenge in the field of mechatronic development, which is currently not supported methodically. The aim of this project is to design a model-based microelectronic modular construction kit (MBK) for the systematic development of modular sensor systems (MSS) for SiME using the example of fastening screws. The MBK will be tested using sensor-integrating screws (SiSch) and other SiME in order to be able to configure and design MSS from electronic components for specific machine element applications. In addition to the development of the SiME, their functional verification is also considered through the automated derivation of suitable test procedures from the MBK. This is achieved through the necessary collaboration between the different researches from areas of mechanics, (micro) electronics, software and design methodology. In the second funding period (FP), requirements are initially defined for the self-sufficiency of the SiME. These include wireless data transmission, a non-life-limiting energy supply for the microelectronic systems and their update capability. The additional requirements, necessary components, interfaces and protocols are implemented in the model-based MBK in the SysML modeling language in order to be able to configure self-sufficient MSS. The application-specific combination of module variants and a configuration of different solution alternatives for MSS in SiME should provide advantages in the development of SiME, e.g. through the identification of synergy potentials across the various SPP projects. The system configuration and preliminary design will continue to follow the defined basic strategies data-, energy- and space-optimized. In addition, test procedures for functional verification are to be identified in the second FP and stored in the MBK. Based on this, the test procedures required for the proof of function are output in addition to the MSS configuration. To this end, three integration levels (IS) are defined, each describing loose components and modules (IS 0), integrated modules, systems and interfaces (IS I) and finally MSS in the machine element (IS II). A configuration of a self-sufficient MSS from the MBK is selected as an example for a prototypical implementation in the form of demonstrators. The prototypical realized MSS demonstrators are integrated and the resulting SiSch are then examined in tests for their self-sufficiency capabilities and sensory functions. The test results are fed back into the MBK so that valid (partial) configurations can be prioritized for use in the future.