Flugzeug­wartung mit Durch­blick

Die Digitalisierung eröffnet große Chancen, um Menschen bei komplizierten Aufgaben zu unter­stützen. Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) zeigen zwei Wissen­schaftler, wie aus den technologischen Möglich­keiten innovative Anwendungen für die Luft­fahrt­industrie werden.

Sven Torstrick-von der Lieth, Wissenschaftler in der Abteilung Verbundprozesstechnologien des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am Standort Stade
Sven Torstrick-von der Lieth, Wissenschaftler in der Abteilung Verbundprozesstechnologien des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am Standort Stade © DLR/Ingo Boelter

Robert Kaps entwickelt eigentlich neue Produktionstechnologien für Faser­verbund­stoffe. Die Materialien sind für den Flug­zeug­bau besonders geeignet, weil sie steif, leicht und stabil sind. Inzwischen hat der Ingenieur aller­dings nicht nur reale Bau­teile um sich, sondern auch ihre digitalen Zwillinge. Darunter versteht man eine Art digitales Abbild des Bau­teils: Es umfasst sämtliche Daten aus dem gesamten Lebens­zyklus des Flug­zeug­teils. Neben der Dokumentation von Entwicklungs- und Produktions­prozessen gehören zum Beispiel dokumentierte Schäden nach der Inbetrieb­nahme dazu. „Neu ist, dass die Daten des digitalen Zwillings ständig mit dem Zustand des realen Bauteils synchronisiert werden und dann für jede autorisierte Person an jedem beliebigen Ort abruf­bar sind”, erklärt der Ingenieur der Luft- und Raum­fahrt­technik. Mit einem „Head Mounted Display“ wird der digitale Zwilling persönlich erfahr­bar. Durch eine solche Daten­brille sieht man die reale Umgebung, die um zusätzliche Informationen ergänzt wird – deshalb spricht man von Augmented Reality oder Mixed Reality.

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Auf dieser Grundlage hat Robert Kaps im DLR-Institut für Faserverbund­leicht­bau und Adaptronik in Braunschweig ein Assistenz­system für die Flug­zeug­wartung entwickelt. Mit der Daten­brille auf dem Kopf schlüpft er in die Rolle eines Luft­fahrt­prüfers, der im Hangar eine Airbrake des Eurofighters Typhoon auf Schäden unter­sucht. Diese Luftbremse aus kohlen­stoff­faser­verstärktem Kunst­stoff wird kurz vor der Landung ausgefahren, um den Strömungs­wider­stand zu erhöhen. Der Blick durch die Brille liefert Robert Kaps nicht nur eine menü­geführte Anleitung für die Inspektion. In der Darstellung der Brille wird das 3D-Modell des digitalen Zwillings in Original­größe direkt mit der realen Airbrake überlagert. Reales Bau­teil und digitaler Zwilling verschmelzen für die Inspektions­tätig­keit mit­einander. Jede Information aus dem Flug­zeug­teil kann dadurch direkt im 3D-Modell gespeichert werden: Auf­fällige Stellen, die der Prüfer bei seiner Inspektion markiert, werden zum Beispiel sofort im digitalen Zwilling hinterlegt. Umgekehrt kann er auch ergänzende Informationen des digitalen Modells aufrufen – etwa einen Ultraschall-Scan, der direkt auf dem Bau­teil sicht­bar wird und ihm die genaue Position winziger Materialschäden anzeigt. „Letztlich geht es darum, ganz neue Informations­verknüpfungen zwischen dem echten und dem digitalen Bauteil zu erarbeiten und dadurch in einem komplexen Umfeld zusätzliche Entscheidungs­grund­lagen für den Techniker zu schaffen”, erklärt Robert Kaps.

Virtuelles Experten­meeting berät über Einsatz­fähig­keit

Robert Kaps kann über das Head Mounted Display sogar eine Verbindung mit einem externen Experten – zum Beispiel beim Hersteller – aufbauen, um Auffällig­keiten gemeinsam zu analysieren oder eine Entscheidung über die Flug­fähig­keit einzuholen. Bisher handelt es sich nur um eine experimentelle Studie, und der Weg zu einem funktionierenden Wartungs­programm ist noch lang. Die IT-Infra­struktur mit den erforderlichen Schnitt­stellen muss zum Beispiel erst geschaffen werden. Dabei arbeitet Robert Kaps eng mit seinem Kollegen Sebastian Utzig aus der DLR-Einrichtung Simulations- und Software­technik zusammen. Der Informatiker ist für interaktive Visualisierung und Programmierung der App zuständig. Außer­dem weiß er, was überhaupt technisch umsetzbar ist. Gemeinsam erproben die beiden Forscher neue Ideen und entwickeln das Assistenz­system weiter. Auf der Inter­nationalen Luft- und Raum­fahrt­aus­stellung ILA 2018 haben sie vor großem Publikum eindrücklich demonstriert, wie groß das Potenzial von Augmented-Reality-Anwendungen ist. Die Vernetzung mit der Luft­fahrt­industrie ist eng. Die Wissen­schaftler sind der industriellen Anwendung allerdings in vielen Bereichen voraus. Denn sie unter­suchen bereits, wie sich ganz neue technologische Ansätze auf Anwender­seite in Produktivität und einen wirklichen Mehr­wert umsetzen lassen.

Pionierarbeit leistet auch Werkstoff-Ingenieur Sven Torstrick-von der Lieth am Standort Stade des Instituts. Mit seinem Team aus den Fach­richtungen Maschinen­bau, Luft- und Raum­fahrt­technik und Informatik betreibt er Forschung im Industrie­maß­stab. Sie fertigen komplette Flügel­schalen, Flug­zeug­rümpfe und andere Bauteile, die baugleich zu tatsächlichen Flug­zeug­strukturen sind. Dafür nutzen sie eine hervorragende Infra­struktur: Eine voll automatisierte Produktions­straße für Bauteile aus Faser­verbund­stoffen gehört ebenso dazu wie der weltgrößte Forschungs­autoklav, in dem Flug­zeug­teile wie in einem Ofen ausgehärtet werden.

Fernwartung spart Zeit und Kosten

Die Flugzeugproduktion aus Faserverbundstoffen ist eine Verkettung automatischer Prozesse, von denen sich jeder einzelne unmittel­bar auf den nächsten auswirkt. Tritt früh ein Fehler auf, wird er meist durch die gesamte Produktions­kette geschleppt. „Wenn ein Bau­teil die Produktions­straße defekt verlässt, ist es oft unmöglich zu rekonstruieren, was passiert sein könnte”, erklärt Sven Torstrick-von der Lieth. Der Schaden beläuft sich schnell auf mehrere Hundert­tausend Euro. Deshalb setzt er seine Expertise ein, um die Prozess­robust­heit erhöhen. Statt fertige Bau­teile auf Schäden zu über­prüfen, wird die gesamte Produktion so optimiert, dass Fehler im Endprodukt quasi ausgeschlossen sind. Dafür macht er wichtige Produktions­schritte mit Virtual-Reality-Technologien transparent. Sensoren sammeln die nötigen Daten dafür: Läuft das Harz richtig ein? Sind Ströme, Drücke und Temperatur­verteilung korrekt? Stimmt die Leistung der Motoren? Jeder Parameter wirkt sich auf die Qualität des Bauteils aus. Mit seinem Team baut der Wissen­schaftler eine Brücke zwischen der physischen und der virtuellen Anlage: Sie verbinden sämtliche Sensor- und Maschinen­daten, die im digitalen Zwilling der Maschine auflaufen, mit den tatsächlichen Abläufen in der Produktions­halle.

Der ideale Ablauf könnte künftig etwa so aussehen: Der Werker empfängt die Fehler­meldung einer Maschine auf seinem Smartphone. Anhand dieser Information kann er abschätzen, ob sich die Panne anhand eines in der Daten­brille abgespielten Tutorials schnell beheben lässt. In schwierigeren Fällen könnte er Hilfe vom Hersteller anfordern, der sich per Virtual Reality aus der Ferne in die Anlage einklinkt. Sven Torstrick-von der Lieth will die Fern­wartung erleichtern: „Wenn Experten nicht mehr ein­geflogen werden müssen, sparen Industrie­betriebe enorm viel Zeit und Kosten.” Während er von einem sehr hohen Auto­matisierungs­grad ausgeht, optimiert sein Kollege Robert Kaps manuelle Prozesse. Beide eint aber ein Ziel: durch wissen­schaftliche Exzellenz ganz neue techno­logische Lösungen zu ermöglichen.

Sie finden das Institut für Faser­verbund­leichtbau und Adaptronik hier: www.dlr.de/fa
Alle Informationen und Einstiegsmöglichkeiten im DLR unter www.dlr.de/dlr/jobs

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