Der Fraunhofer-Innovationscluster »Maintenance, Repair and Overhaul (MRO) in Energie und Verkehr« präsentiert auf der Luftfahrtmesse ILA Berlin Air Show neueste Konzepte, Technologien und Forschungsthemen im Bereich der Wartung und Instandhaltung in der Luft- und Raumfahrttechnik.

In der Clusterinitiative kooperieren sieben Forschungsinstitute und 14 Wirtschaftsunternehmen, darunter Airbus, MTU Maintenance und Rolls-Royce Deutschland. Ziel ist es, ressourcenschonende und energieeffiziente MRO-Prozesse und -Technologien zu erarbeiten und nachhaltig zu etablieren. Denn insbesondere bei Produkten und Gütern mit hohen Investitionskosten und langer Lebensdauer sind Wartung, Reparatur und Instandhaltung von essentieller Bedeutung. In den Branchen Verkehr und Energie verursachen zum Beispiel Korrosion von Werkstoffen, Materialverschleiß oder Vandalismus hohe Kosten.

Live-Vorführung: Robotergeführte Bearbeitung von Turbinenschaufeln

Im Rahmen des Fraunhofer-Innovationsclusters »Maintenance, Repair and Overhaul (MRO) in Energie und Verkehr« wird am Produktionstechnischen Zentrum Berlin (PTZ) ein innovativer Lösungsansatz zur Reparatur von beschädigten Triebwerks- und Turbinenkomponenten entwickelt. Kernstück des Forschungsvorhabens bildet eine hochflexible, automatisierte Roboterzelle, die eine schnelle und kostengünstige Reparatur ermöglicht. Bei der Neufertigung und Reparatur von strömungstechnisch optimierten Triebwerksbauteilen werden im Bereich der Ein- und Austrittskanten höchste Genauigkeiten gefordert. Aus diesem Grund werden derzeit fast ausschließlich hochgenaue aber kapitalintensive CNC-Werkzeugmaschinen für die Reparatur solcher Bauteile verwendet. Im MRO-Prozess werden zunehmend adaptiven Zerspantechnologien eingesetzt. Der Zerspanprozess folgt dabei keiner starr vorgegebenen NC-Bahn, sondern wird kontinuierlich an die tatsächliche Kontur jedes einzelnen Bauteils angepasst. Dabei sollen die geforderten Genauigkeiten mit flexiblen und kostengünstigen robotergestützten Fertigungssystemen erreicht werden.

Trocken und rückstandsfrei Reinigen

Die Reinigung ist Teil des Instandhaltungsprozesses von Triebwerken und Flugzeugen und ist zur Gewährleistung eines einwandfreien Betriebs notwendig. Für viele dieser Aufgaben fehlt es an flexibler, mobiler und problemgerechter Anlagentechnik sowie an Kenntnissen zum Prozessverständnis und Lösungen zur Automatisierung. Die Zielsetzungen und Anforderungen an die Reinigung lassen sich in drei Kategorien unterteilen: Bei der Reinigung aus optischen Gesichtspunkten ist das Ziel die Entfernung von Verunreinigungen zur Wiederherstellung des ursprünglichen Aussehens. Ziel präventiver Reinigung ist die Bewahrung des Wirkungsgrades, um kostspielige Reparaturen zu vermeiden und Ausfällen vorzubeugen. Unter der funktionsrelevanten Reinigung ist beispielsweise die Entfernung von Funktionsschichten wie keramischen Wärmedämmschichten zur Wiederbeschichtung im Rahmen der Herstellung und Reparatur zu verstehen. Gerade in der Luftfahrt gewinnt der Einsatz trockener, rückstandsfreier und ökoeffizienter Reinigungsverfahren an Bedeutung. Zu den Reinigungsverfahren, die diese Anforderungen erfüllen, zählt das Strahlen mit festem Kohlendioxid.

Reverse Engineering von Baugruppen zur MRO-Unterstützung mit Augmented Reality

Unbekannte Zustände ausgefallener Maschinen erfordern eine umfangreiche Diagnose, die zum großen Teil noch mit manuellen Prüfmitteln durchgeführt wird und hohe Kosten verursacht. Der Fraunhofer-Innovationscluster MRO beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Reverse Engineering-Prozesses, der die Zustandserfassung von komplexen Maschinen beschleunigen soll. Dabei soll die Geometrie von Baugruppen in einem ersten Schritt dreidimensional gescannt und ein digitales Volumenmodell erzeugt werden. In diesem Modell sollen dann die Einzelbauteile über ein Pattern-Matching-Verfahren identifiziert und ein digitales Baugruppenmodell generiert sowie dessen Produktstruktur abgeleitet werden, um die weitere Nutzung in Product Lifecycle Management (PLM)-Systemen zu ermöglichen. Das so gewonnene digitale Modell bildet die Grundlage für zahlreiche Verwendungszwecke im MRO-Umfeld. So kann ein Abweichungsmodell von Soll- und Istzustand als Vorlage für die MRO-Prozessplanung dienen. Ebenso können digitale Handbücher und ein Konfigurationsmanagementsystem mit 3-D-Modellen und Zusatzinformationen aus dem PLM-System erstellt werden. Augmented Reality-Anwendungen liefern dem Servicepersonal visuelle Handlungsvorgaben auf Basis der aktuellen Produktkonfiguration.
Aktuell arbeitet der Fraunhofer-Innovationscluster MRO an Möglichkeiten, die Beanspruchungen von Flugzeugstrukturen während des Fluges über hochsensible Sensoren zu messen. Mit den Messergebnissen können vor allem individuelle Wartungsintervalle bestimmt werden, damit so die tatsächlich notwendigen Arbeiten durchgeführt werden.

Frequenzumrichter für eine elektrische Blattwurzelaktuatorik

Der Leistungsumrichter wurde entwickelt, um eine gewichts- und energieoptimierte elektrische Ansteuerung des Hubschrauberrotorblatts im Rotorkopf zu realisieren. Bei diesem Ansatz wird die konventionelle mechanische Rotorblattverstellung mittels Taumelscheibe durch das elektrische Konzept vollständig ersetzt. Der 3-Phasen-Umrichter steuert die permanenterregte Synchronmaschine zur Verstellung des Rotorblattes an. Mit einer H-Brückentopologie wird die Bordspannung des Hubschraubers wechselgerichtet. Der gesamte Schaltungsentwurf wird aufgrund des beschränkten Platzangebots in drei Ebenen aufgeteilt. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Niedertemperaturanbindung der Leistungshalbleiter. Daher wurde ein Schichtaufbau aus einer AlN-DCB und einer Kupfer-Molybdän-Bodenplatte entwickelt, der thermisch an einen luftgekühlten Lamellenkörper angebunden ist. Die Gesamtleistung des Umrichters kann auf rund 5 kW beziffert werden, sofern die Luftanströmung am Kühlkörper mit 5 m/s gewährleistet ist.