Maßprüfung in der Luftfahrt: Strukturen, Faserverbund und Triebwerksbauteile im Prozessschritt messen

Ein Rumpfelement passt in keinen Messraum. Eine Faserverbundschale gibt unter dem eigenen Gewicht nach, und ein Triebwerksgehäuse aus der Reparatur soll für die Messung nicht ausgespannt werden. In der Luftfahrt stellt sich die Maßprüfung deshalb oft an einem bestimmten Prozessschritt: beim Ablegen von Fasern, vor dem Autoklav, vor dem Bohren der Nietlöcher, beim Fügen, nach dem Schleifen, während der Wartung. Dieser Beitrag richtet sich an Fertigungs- und Prozessingenieure bei Herstellern und Zulieferern von Flugzeugstrukturen, an die Bauer von Fräs-, Niet-, Montage- und Ablageanlagen und an Ingenieure der Triebwerksinstandhaltung. Er geht dokumentierte Anwendungen in der Reihenfolge des Prozesses durch, erst Strukturen und Faserverbund, dann Triebwerk und Instandhaltung. Zum Stand der Fälle: Es sind Anfragen, Konzepte, Machbarkeitsstudien und Tests, keine installierten Anlagen. Über allen Aufgaben steht die Erwartung der Lieferkette, dass je Bauteil nachvollziehbar dokumentiert ist, was gemessen wurde. Wie große Bauteile allgemein mobil gemessen werden, beschreibt der Beitrag zur mobilen Koordinatenmesstechnik für Großbauteile und Baugruppen.

Wichtige Punkte im Überblick

In der Luftfahrt hängt die Maßprüfung oft an einem Prozessschritt, weil Rumpfelemente, Faserverbundschalen und Triebwerksgehäuse zu groß, zu nachgiebig oder zu wertvoll für den Messraum sind.
Bei der Ablage von Carbontape zählen vor allem Spalt und Überlappung zwischen den Bahnen; das Konzept sieht dafür einen 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 am Roboter vor.
Eine Profillinie erfasst Spalt und Versatz an Fügestellen im Querschnitt, taktiles, punktuelles Antasten erfasst eine Fuge nur an einzelnen Stellen.
An einem großen Triebwerksring soll der Mindestabtrag nach dem Schleifen auf einem Drehtisch gemessen werden, und ein erster Test zeigte, dass der Glanz der Oberfläche die Messung nicht störte.
Laut Katalog verbindet das Mobile 3D-Koordinatenmessgerät der Modellreihe WM-6000 einen taktilen Messtaster mit einem Laser-Scanner bei einem Messbereich bis 25 m; betrachtet wird es für große Triebwerksbaugruppen in der Reparatur.

Faserverbund: Spalt und Überlappung von Tapes, Schalenkontur vor dem Autoklav

Bei der robotergestützten Ablage von Carbontape auf gekrümmte Spante einer Rumpfschale zählen vor allem Spalt und Überlappung zwischen den Bahnen. Das Tape ist rund 0,2 mm dick, die Spante sind mehrere Meter lang; Verdrehung und Welligkeit sind zweitrangig. Kontrolliert wird heute in Abständen per Sichtprüfung. Das Konzept sieht einen 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 am Roboter vor. Offen ist, ob ein eigener Messdurchgang getrennt vom Ablegen in den Ablauf passt; empfohlen sind Tests mit Musterteilen.

Laut Katalog erfasst der Snapshot-Sensor ein Feld von bis zu 640 x 640 mm, ohne dass der Messkopf bewegt wird. Mit diesem Sensor befasst sich auch eine Machbarkeitsstudie zu GFK- und CFK-Schalen. Sie sollen vor dem Autoklav geprüft werden, damit der Prozess dort gesteuert werden kann. Es geht weniger um Fehlstellen als um die Außenkontur gegen eine Referenz. Die Schale ist rund 12 mm dick, der Versatz in der Auflage liegt bei ein bis zwei Zehntelmillimetern, gewünscht ist eine Genauigkeit im Zehntelbereich. Dafür sollen die Daten mehrerer Messköpfe zusammengeführt werden, und die Ungenauigkeit des Roboters im Aufbau muss ausgeglichen werden.

Restwandstärke nach dem Fräsen großer Rumpfplatten

Große Rumpfplatten liegen beim Fräsen per Vakuum angesaugt auf dem Tisch, ohne Luftspalt. Daraus entsteht in einer Anfrage eine Idee: Ein Sensor am Fräskopf misst die gefräste Oberfläche, und die Vakuumauflage dient als Bezugsfläche, sodass die Restwand von einer Seite bestimmt wird. Ein Ultraschallverfahren braucht eine Ankopplung, und Frässtaub stört sie.

Denkbar ist dafür ein Konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000. Laut Katalog beträgt sein größter Messbereich ±35 mm bei 150 mm Referenzabstand; die Linearität hängt vom Messkopf ab. In der Praxis hängt das Ergebnis auch davon ab, wie genau der Fräskopf den Sensor positioniert. Das ist vor einem Test zu klären.

Bohren und Nieten: Referenzniete finden, Bohrungen an großen Flügeln prüfen

Bevor Nietlöcher in eine Rumpfhaut gebohrt werden, sollen Referenzniete gefunden werden: Niete von rund 10 mm Durchmesser und etwa 0,1 mm Tiefe, im Abstand von rund 300 mm. Gefordert ist eine Genauigkeit unter 0,1 mm, aber nicht im Hundertstelbereich, und Roboter sind in der Anlage nicht erwünscht. Betrachtet wird der Snapshot-Sensor, der ohne Bewegung des Messkopfes erfasst. Eine Kamera ist denkbar, wenn der Kontrast reicht. Ein Test mit einem Musterteil ist vorgesehen.

An Flügeln von mehreren Metern Breite soll die Maßhaltigkeit der Bohrungen für die Vernietung direkt nach der Bearbeitung in der Anlage geprüft werden, mit Toleranzen teils im Bereich weniger Mikrometer. Die Bohrungen sind sicherheitsrelevant, die Taktzeit ist unkritisch. Betrachtet wird ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000. Im selben Vorhaben kamen einfache Maße an sehr langen Flügeln hinzu und die Frage, ob Stützen auf gleicher Höhe liegen und eben sind. Dafür ist ein Mobiles 3D-Koordinatenmessgerät der Modellreihe WM-6000 im Gespräch.

Eine weitere Anfrage betrifft gepresste Carbonflügel von rund 4 x 2 m, die stark gekrümmt sind. Gemessen werden sollen Bohrungsmaße, Abstände zwischen den Bohrungen und ob eingebaute Teile vorhanden sind. Eine Genauigkeit ist dort noch nicht festgelegt. Die Messung der Nietposition führt KEYENCE in seinen Messbeispielen für die Luftfahrt auch für das mobile Koordinatenmessgerät auf.

Beim Fügen: Spalt an Klipsen, Richten von Flügelpaneelen, Ausrichten von Rumpfsektionen

Zwischen CFK-Klipsen an den Rippen und der Innenhaut soll der Spalt je Klips gemessen werden, bisher geschieht das mit der Fühlerlehre. Der Wert soll je Messpunkt gespeichert und dem Werker später über Augmented Reality angezeigt werden, damit er zwischen Paste und Vlies als Ausgleich wählt. Gefordert sind rund 0,1 mm mit einem handgeführten Aufbau, bei bis zu einigen Tausend Klipsen. Das ist eine Anforderung, kein umgesetzter Aufbau.

Für eine neue Anlage zum Richten von Flügelpaneelen aus gefrästem Aluminium sollen der Spalt an einer eigenen Station sowie der Biegeradius und die Welligkeit der Stringer gemessen werden. Die Toleranzen liegen je nach Zeichnung im Zehntel- bis Hundertstelbereich.

Beim Zusammenbau werden zwei Rumpfsektionen automatisch zueinander ausgerichtet, bevor sie fixiert werden. Gemessen werden soll der Abstand an zwei Punkten je Seite, mit rund 0,1 mm, fest installiert und so, dass Bewegung und Justage die Messung nicht beeinflussen. Vorgesehen ist zunächst ein Test der Stabilität mit einem Messkopf.

Für solche Fugen nennt der Katalog des Profilsensors ein X-Messfeld von 7,0 bis 510 mm und eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm, je nach Messkopf. Eine Profillinie erfasst die Fuge im Querschnitt; taktiles, punktuelles Antasten erfasst sie nur an einzelnen Stellen. Für die Vorrichtungen selbst nennt KEYENCE in seinen Luftfahrt-Messbeispielen für das mobile Koordinatenmessgerät die Lage von Bohrungen in einer Türmontagevorrichtung und die Ebenheit einer Montagevorrichtung für Rahmen.

Triebwerksbauteile: Abtrag über den Umfang und Wandstärke in der Maschine

An einem Ring aus einer Nickellegierung mit über einem Meter Durchmesser wird an drei bis vier Stellen des Außendurchmessers Material abgeschliffen. Gefordert ist ein Mindestabtrag in der Größenordnung von 0,15 mm, bei Höhenunterschieden von einigen Millimetern; heute wird von Hand geprüft. Im Konzept dreht sich der Ring auf einem Drehtisch an einem Profilsensor vorbei. 3D-Spray ist an diesem Teil nicht zulässig. Ein erster Test zeigte, dass der Glanz der Oberfläche die Messung nicht störte.

Ähnlich gelagert ist eine Idee aus der Triebwerksinstandhaltung. An einem großen Gehäuse wird aufgetragenes Harz an vielen Stellen über den Umfang wieder in Form gefräst. Ein Profilsensor, zentriert auf einer vorhandenen Drehachse, soll die Oberfläche über den Umfang erfassen, damit das Harz besser dosiert werden kann.

Ein weiteres Konzept betrifft die Wandstärke am Flansch eines Triebwerksgehäuses aus Titan, gemessen in der Bearbeitungsmaschine gegen eine Mindestwandstärke. Vorgesehen sind je ein Profilsensor von beiden Seiten und eine mobile Messstation, die an mehreren Maschinen eingesetzt werden kann; bearbeitet wird mit Kühlschmierstoff.

Instandhaltung: Soll-Ist großer Baugruppen, Tiefen und Schaufeln

Bei der Reparatur großer Triebwerksbaugruppen sollen Teile bis rund fünf Meter mit dem CAD verglichen und die Montage messend begleitet werden. Kleine, sehr genaue Teile bleiben auf Messarm und KMG. Für die großen Baugruppen ist das mobile Koordinatenmessgerät im Gespräch. Laut Katalog verbindet es einen taktilen Messtaster mit einem Laser-Scanner, sodass Maß- und Formmessungen möglich sind, bei einem Messbereich bis 25 m. In seinen Messbeispielen für die Luftfahrt nennt KEYENCE dafür unter anderem die Form von Turbinenschaufeln, die Maßhaltigkeit von Motorgehäusen und die Prüfung auf Verschleiß.

An Triebwerksteilen gelang in einem Test die Tiefenmessung mit dem Snapshot-Sensor. In einer Werkstatt für Triebwerksteile ging es darum, Gehäuse und Verdichterräder vollständig zu prüfen, obwohl keine CAD-Daten des Herstellers vorliegen, später um die Dicke der Schaufeln an Laufrädern bis rund 300 mm. Betrachtet wurde dafür ein Optisches 3D-Koordinatenmessgerät der Modellreihe VL-800. Falls gesprüht wird, darf kein Rückstand bleiben; das ist dort eine Anforderung.

Während der Wartung: Aufmaß im Flugzeug und Profiltiefe am Rad

Ein Betrieb, der Flugzeugkabinen ausstattet, nimmt während der Wartung die Bodenkontur im Flugzeug für Teppiche auf, heute mit einer Schablone. Die Zeit im Flugzeug ist knapp, und die Kontur soll als DXF weitergehen. Das mobile Koordinatenmessgerät wurde dem Betrieb dafür bei einer Vorführung gezeigt. Laut Katalog gibt es gemessene Elemente auch als 2D-Daten im DXF-Format aus.

In einer Radwerkstatt der Instandhaltung soll ein automatisierter Prüfstand die Profiltiefe von Flugzeugrädern rundum erfassen. Die Profiltiefe liegt bei etwa 10 bis 20 mm, die Räder haben rund 0,6 bis 1,4 m Durchmesser, die Reifen sind mattschwarz, und die Ergebnisse sollen ins Netzwerk. Als Lösungsansatz wird ein Profilsensor erwogen. Auch das ist eine Anforderung.

Häufige Fragen

F Warum werden Luftfahrtstrukturen oft im Prozessschritt statt im Messraum gemessen?

Weil viele Teile zu groß, zu nachgiebig oder zu wertvoll für den Transport in den Messraum sind. In dokumentierten Anwendungen hängt die Messung an einem Schritt: vor dem Autoklav, vor dem Bohren, beim Ausrichten von Rumpfsektionen, nach dem Schleifen. Das Ergebnis soll dann den nächsten Arbeitsschritt steuern.

F Wie lassen sich Spalt und Kontur an Fügestellen berührungslos erfassen?

Mit einem Profilsensor, der die Fuge als Querschnitt aufnimmt. Laut Katalog hat der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 ein X-Messfeld von 7,0 bis 510 mm und eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm, je nach Messkopf. Taktiles, punktuelles Antasten erfasst eine Fuge dagegen nur an einzelnen Stellen.

F Kann man die Restwandstärke einer Rumpfplatte von einer Seite messen?

Als Idee ja, wenn die Vakuumauflage als Bezugsfläche dient und der Sensor am Fräskopf die gefräste Oberfläche misst. Denkbar ist dafür ein Konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000. Wie genau der Fräskopf positioniert, ist vor einem Test zu klären.

F Wie wird der Abtrag an einem großen Triebwerksring gemessen?

In einem dokumentierten Konzept dreht sich der Ring auf einem Drehtisch an einem Profilsensor vorbei, der die geschliffenen Stellen am Außendurchmesser erfasst. Sprühen ist dort nicht erlaubt. Ein erster Test zeigte, dass der Glanz der Nickellegierung die Messung nicht störte.

F Lässt sich während der Wartung im Flugzeug messen?

In einer dokumentierten Anwendung soll die Bodenkontur in der Kabine mit einem mobilen Koordinatenmessgerät aufgenommen und als DXF ausgegeben werden. Gezeigt wurde das Gerät dafür bei einer Vorführung. Laut Katalog verbindet das Gerät der Modellreihe WM-6000 Messtaster und Laser-Scanner bei einem Messbereich bis 25 m.

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