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MTU digitalisiert 50 Jahre altes Triebwerk

Augmented Reality-Konzept ermöglicht vereinfachte Instandsetzung am Antrieb des Transporthubschraubers CH-53G.

02.2021 | Autor: Thorsten Rienth

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Thorsten Rienth schreibt als freier Journalist für den AEROREPORT. Seine technikjournalistischen Schwerpunkte liegen neben der Luft- und Raumfahrtbranche im Bahnverkehr und dem Transportwesen.

Kopf

Wer die „Lager 4“-Dichtungen der beiden T64-Antriebe eines Sikorsky CH-53G wechseln möchte, nimmt den Transporthubschrauber erstmal aus dem Dienst. Er demontiert die beiden Triebwerke, transportiert sie in den Shop und lässt dort die beiden Dichtungen austauschen. Dann geht alles den gleichen Weg wieder zurück. „Die Dichtungswechsel kommen zwar selten vor“, sagt Bernhard Niklas, Programmleitung Kundendienst T64/T62 bei der MTU Aero Engines. „Aber er ist sehr umfangreich.“ Ob sich die Tätigkeit nicht mit einer Animation flankieren ließe, fragte die Bundeswehr? Und die zudem nahtlos integriert wäre in ihre technischen Dokumentationsprozesse?

Hunderte Fotografien ersetzen meterlangen Scanner

An dieser Stelle kommt Thomas Staak ins Spiel, der Leiter der Technischen Dokumentation bei der MTU Aero Engines. Seit mehreren Jahren beschäftigt er sich schon damit, Instandhaltungsmaßnahmen, Montageschritte oder Qualitätsprüfungen an Triebwerksbauteilen auf eine neue Ebene zu hieven. Augmented, Mixed und Virtual Reality, AR, MR und VR, sind dabei drei vielversprechende Wege.

Die ersten „Proofs of Concept“ von AR-unterstützten Schubdüsen-Reparaturen sind schon erbracht. An einigen ausgewählten Arbeitsschritten in der Montage des Airbus A320neo-Triebwerks PW1100G-JM wurden AR-Anwendungen bereits für die Qualitätsprüfung – konkret die richtige Positionierung von Brackets – und Montage erprobt. Eine Animation für die Montage des T408-Triebwerks mit interaktiven Bedienelementen befindet sich in der Entwicklung. Ein weiteres Projekt in der zivilen Montage des A320neo-Triebwerks zielt auf den Einsatz der Mixed Reality-Brille HoloLens ab. Nach der internen Zulassung für die Nutzung der AR Brille innerhalb der MTU wird ein Pilotprojekt gestartet. Der Einsatz von AR soll Montagefehler reduzieren, die Effizienz des Prozesses steigern und die Qualifizierungen an den Triebwerken beschleunigen. Am Ende ist auch entscheidend, ob die Monteure durch den Einsatz von AR einen deutlichen Mehrwert erkennen können.

Ein neues Level


Zu Beginn wurden hunderte einzelne und überlappende Fotos des Triebwerks gemacht. Damit auch das Innenleben entsprechend digitalisiert werden konnte, demontierten die Techniker das T64 extra für das „Fotoshooting“.

Für das normale Auge ist hier ein Triebwerk nur schwer zu erkennen – aber tatsächlich sind in diesem Modell 2D-Fotografien des T64 aus allen erdenklichen Perspektiven eingebunden. Aus den kamerabasierten Daten des Triebwerks werden zunächst Punktwolken und anschließend auf deren Basis 3D-Polygonnetze von hoher Genauigkeit erstellt.

Noch etwas skelettartig erscheint das erste 3D-Modell, dass auf Basis der 3D-Polygonnetze durch die Grafiksoftware erstellt wurde. Durch Bereinigungen und die vereinfachte Darstellung können nun die Feinarbeiten am Modell beginnen.

Das im dritten Schritt vereinfachte und bereinigte 3D-Modell dient nun als Grundlage um Einzelheiten zu bearbeiten und das digitale Triebwerk so real wie möglich erscheinen zu lassen. In der Software wurden dazu zuvor extra Farben und Oberflächen angelegt, die dem realen T64 entsprechen.

Zum Schluss schwebt ein fertig modelliertes Triebwerk in der Animationssoftware. Dieser „Digitale Zwilling“ hat eine 360° 3D-Ansicht und dient nun als Grundlage der Erstellung einzelner Animationen. Diese können den Mechanikern Handlungsschritte an Bauteilen und Triebwerk besonders gut veranschaulichen.

Erster Schritt: Zweiter Schritt: Dritter Schritt: Vierter Schritt: Digitaler Zwilling:

Erster Schritt: Die 2D-Fotos des „echten“ Triebwerks bilden die Grundlage für die weiteren Digitalisierungsschritte.

Zweiter Schritt: Für die Virtual Reality ist die Photogrammetrie ein äußerst wichtiges Tool. Auf Basis dieses Verfahrens können dann erste, real wirkende 3D-Modelle erstellt werden.

Dritter Schritt: Im ersten erstellten digitalen Modell sind die Konturen geglättet, die Farben herausgenommen.

Vierter Schritt: Ein Ausschnitt des Programms zeigt, welche Vielfalt an Oberflächen und Farben dem digitalen Triebwerk zugeordnet werden kann.

Digitaler Zwilling: Aus diesem virtuellen T64 werden nun Animationen erstellt.


Was in der Theorie einfach klingt, ist, wie so oft, in der Praxis ein schwieriges Unterfangen. Nicht, weil Staak und sein Team nicht wüssten, wie Animationen zu erstellen wären. Doch als der CH-53G in den 1960er Jahren in die Serienfertigung geht, wurden noch keine 3D-Daten mit Hilfe des heutzutage gängigen Computer Aided Design (CAD) erstellt. Auf diese Basis lässt sich also nicht zurückgreifen. Wohl aber lassen sich die Daten in umgekehrter Reihenfolge erstellen.

Der Umweg dauerte einige Tage und führte über hunderte einzelne und überlappende Fotos des Triebwerks aus allen denkbaren Perspektiven. Um auch die für den Dichtungswechsel wesentlichen Bestandteile im Inneren abbilden zu können, demontierten die Techniker das Triebwerk dabei teilweise. „Die 2D-Bilder wandelten wir dann mit Hilfe einer Software in ein 3D-Modell des Triebwerks um, einen Digitalen Zwilling ‚light‘“, erklärt Staak.

Auf die komplette Detailtiefe sind die Entwickler zum Glück (noch) nicht angewiesen. „Anstatt auf den Bruchteil eines Millimeters kommt es bei den Animationen vor allem darauf an, dass sie für die Mechaniker auf den ersten Blick und unmissverständlich erfassbar sind.“ Künstliche Intelligenz-(KI)-Software leistet dabei eine wichtige Hilfestellung. „Vieles lässt sich mittlerweile automatisiert digital nachmodellieren, zum Beispiel weniger gute Lichtverhältnisse oder Schattenwürfe“, erklärt Staak.

Richtiges Maß: Die Animation erklärt Schritt für Schritt, wie bei der Vermessung der Kohledichtung im Sumpfdeckel des T64 richtig vorgegangen wird.

Ausbau zur Interaktiven Elektronischen Technischen Dokumentation (IETD)

Am Ende des gemeinsamen Entwicklungsprojekts von Bundeswehr und der MTU stand die Schritt-für-Schritt-Anleitung des Dichtungswechsels. „Dem Mechaniker dient sie als immer verfügbare Hilfestellung, damit ihm die Arbeitsschritte leichter, schneller und mit einer geringeren Fehlerwahrscheinlichkeit von der Hand gehen“, sagt Niklas. Angezeigt wird die Animation auf einem Endgerät neben dem Mechaniker, etwa auf einem Tablet: Der richtige Montageort, die Positionierung des nächsten Bauteils, das einzusetzende Werkzeug sowie Parameter wie notwendige und zulässige Drehmomente. Bliebe dem Mechaniker etwas unklar, würde er den Arbeitsschritt einfach ein weiteres Mal abspielen. IETD lautet das Stichwort: Interaktive Elektronische Technische Dokumentation.

Staak blickt einen Schritt weiter in die Zukunft. „In der Ausbaustufe könnte sich sogar das Tablet erübrigen. Zum Beispiel, indem die Animationen über eine Augmented-Reality-(AR)-Brille und mit Sprachsteuerung eingespielt werden“. Natürlich: Die Erstellung der Animation binde erst einmal gewaltige Ressourcen. „Aber ihr Nutzwert bei der Instandsetzung ist dafür enorm“.

Im Falle der T64-Dichtungswechsel stehen Bundeswehr und die MTU mittlerweile beim nächsten, womöglich sogar finalen Schritt: „Wir sind schon bei der Frage, wie wir die Animationen in die Abläufe bei der Bundeswehr einbinden“, beschreibt Niklas den Status Quo. Dass sich der Aufwand lohnt, davon ist er überzeugt. „Wenn ein Triebwerk wie das T64 gut und gerne noch ein Jahrzehnt im Dienst bleiben soll, amortisiert sich der Aufwand in einem durchaus attraktiven Zeithorizont.“

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