Roboter mit Durchblick

Rissdetektionsverfahren für den mobilen Einsatz am metallischen Flugzeugrumpf

Bei automatisierten Systemen wird die Arbeit vom Menschen auf Automaten übertragen, um möglichst effiziente Ergebnisse zu erzielen. In vielen Bereichen werden bereits vielseitige Roboter eingesetzt, um dem Menschen die Arbeit zu erleichtern und die Effizienz zu steigern. So sind seit einigen Jahren auch mobile Roboter auf dem Markt, die Dienstleistungen wie Rasenmähen oder Staubsaugen für den Menschen erbringen. In anderen Bereichen sind Laufroboter, die sich mit Hilfe von „Beinen" wie ihre menschlichen oder tierischen Vorbilder bewegen können, auf dem Vormarsch. Bei Lufthansa Technik AG hat man diese Entwicklung bereits früh aufgegriffen und für zukünftige Inspektionsprozesse die Weichen auf roboterbasierte Detektions- und Reparaturverfahren gestellt. Um das ganze Automatisierungspotenzial für Instandhaltungsleistungen nutzen zu können, müssen zunächst noch mobile Roboter entwickelt werden, die als Trägersystem für Detektionsgeräte geeignet sind. Stationäre Roboter kommen aufgrund ihrer eingeschränkten Reichweite für Inspektionen der Flugzeugaußenhaut nicht in Frage. 

Zurzeit werden visuelle Inspektionen und zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT, non-destructive testing) am Flugzeugrumpf manuell durchgeführt. Diese Arbeit erfordert nicht nur höchste Konzentration von den Mitarbeitern, sondern ist auch – wegen der langen Durchführungs- und Liegezeiten – sehr zeit- und kostenintensiv. Um solche Arbeiten in Zukunft effizienter durchzuführen, entwickelt Lufthansa Technik in Zusammenarbeit  mit dem Institut für Flugzeug-Produktionstechnik (IFPT) der Technischen Universität Hamburg-Harburg sowie den Industriepartnern edevis GmbH und IFF GmbH das robotergestützte Verfahren zur Inspektion von Rumpfstrukturen „TCD -Thermographic Crack Detection - Thermographische Risskontrolle". Das von September 2011 bis September 2014 laufende Forschungsprojekt wird von der Behörde für Wirtschaft, Verkehr und Innovation der Freien Hansestadt Hamburg gefördert.

 

Forschungsgegenstand des Projekts „TCD" ist ein mit einer thermographischen Prüfeinheit ausgerüsteter mobiler Roboter, der die Außenhaut des Flugzeugrumpfes an vorgegebenen Stellen abläuft und binnen kurzer Zeit auf Beschädigungen oder Defekte (in diesem Fall Risse) hin untersucht.  Bei diesem thermographischen Verfahren muss der zu untersuchende Bereich spezifisch angeregt werden, so dass dieser mittels einer Infrarot (IR)-Kamera und entsprechender Software ausgewertet werden kann. Die Prüfeinheit besteht aus zwei Spulen (Induktoren), mit denen die Kontrollbereiche auf der Rumpfoberfläche mittels eines kurzen elektrischen Impulses lokal und nur um wenige Kelvin erwärmt werden. Mit der IR-Kamera wird der Kontrollbereich zeitgleich zur Erwärmung aufgenommen. Auf den IR-Bildern heben sich die erfassten Risse vom Hintergrund ab, da sie sich stärker erwärmen als die Umgebung. Dadurch stellt sich um die Risse und speziell an den Rissspitzen ein charakteristisches Temperaturprofil ein und der Riss kann detektiert werden. So werden selbst kleinste Risse, die das nur etwa ein Millimeter starke Blech noch nicht vollständig durchdrungen haben, sichtbar. Das Verfahren ist somit fehlerselektiv. Die Auswertung der aufgenommenen Bilder kann einfacher und damit schneller und sicherer geschehen.

 

Vakuumpads an den Füßen halten den Roboter aktiv am Rumpf fest, so dass er auch vertikale und überhängende Bereiche des Rumpfes erreichen kann. Lediglich Türen, Fenster und Anbauteile müssen bei der Wegeplanung ausgespart werden. Während einer Positionierung kann der Roboter vier Kontrollbereiche (jeweils zwei Kanten an den „Chemically Milled Pockets" der Rumpfbeplankungsbleche) erfassen. Die 10 Zoll x 9,6 Zoll großen „Chemically Milled Pockets" dienen der Gewichtsreduzierung der Rumpfbeplankung und sind fast am gesamten Rumpf der Boeing 737 Classic vorhanden. Die IR-Aufnahme dieser Kontrollbereiche dauert jeweils nur wenige Sekunden, so dass der gesamte Prüfzyklus – inklusive der Speicherung aller aufgenommenen Daten – in weniger als 30 Sekunden durchgeführt werden kann. Gesteuert werden der Roboter und die Prüfeinheit von mehreren, weitgehend autarken Computersystemen, die in ständiger Kommunikation miteinander stehen, wobei die gesamte Steuerung in einem zentralen Arbeitspult zusammengefasst ist.

 

Zurzeit wird der rund 75 Kilogramm leichte Roboter-Demonstrator weiter verbessert und sein Gewicht noch weiter verringert, um vor allem seine Flexibilität im Einsatz zu erhöhen. Und auch einen Namen hat der mobile Roboter bereits: „MORFI" (Mobile Robot for Fuselage Inspection). Mithilfe des neuen Detektionsverfahrens und der Verwendung des mobilen Roboters lässt sich die Effizienz visueller Inspektionen und zerstörungsfreier Werkstoffprüfungen an metallischen Rumpfstrukturen zukünftig deutlich steigern. Zusammen mit der Standardisierung von Inspektionsprozessen und verkürzten Bodenzeiten lassen sich Kosten für aufwändige MRO-Prozesse (Maintenance, Repair and Overhaul) weiter reduzieren. Weitere Anwendungsfelder – zum Beispiel an nichtmetallischen Rumpfstrukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärktem Aluminium (GLARE) aktueller Verkehrsflugzeuge –sollen in Folgeprojekten entwickelt und industrialisiert werden.