Flugzeugturbinen herzustellen ist aufwändig und teuer. Alleine die Fertigung der Turbinenschaufeln – sogenannter Blisks (Blade Integrated Disks) – kann bis zu 200 000 Euro kosten. Höchste Sicherheits- und Qualitätsstandards müssen eingehalten, computergesteuerte Werkzeugmaschinen so programmiert werden, dass die Bauteile exakt nach den Konstruktionsplänen gefertigt werden. Sensoren an Maschinen und Anlagen überwachen permanent den Produktionsprozess. »Doch es bleibt ein Restrisiko. Denn die Qualitätsanalyse erfolgt in der Regel dezentral und zeitverzögert. Insbesondere die Eigenschwingung der Blisks während der Fertigung ist ein Problem. Dadurch kann es zu Qualitätseinbußen kommen, die aufwändig per Hand im Nachgang des Fertigungsprozesses korrigiert werden müssen«, erklärt Dr. Sascha Gierlings, Leiter der Prototypenfertigung am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen.
Einzigartige Testumgebung in Aachen
Eine Lösung für dieses Problem verspricht die Kombination aus neuester Sensortechnologie und schnellen Datenübertragungsraten, wie sie der künftige Mobilfunkstandard 5G bietet. Für den konkreten Fall der Bliskherstellung hat das Fraunhofer IPT einen speziell entwickelten Sensor direkt auf dem Bauteil angebracht. Dieser überträgt die Schwingungsspektren der Blisks via 5G mit Latenzen von bis zu einer Millisekunde an eine Software. Sie erkennt sofort, ob die Schwingungen ein zulässiges Normalmaß übersteigen bzw. kritische Frequenzen erreichen und passt den Produktionsprozess unverzüglich an. Ein weiterer Vorteil: Mithilfe der schnellen Datenübertragung kann ein digitaler Zwilling erstellt werden, das virtuelle Abbild eines Bauteils. Mit dessen Hilfe lassen sich wichtige Fragen, die den Produktionsprozess betreffen, bereits vorab am Computer klären.
Die Liveübertragung der Bauteildaten hat das Aachener Forschungsinstitut zusammen mit dem schwedischen Technologieanbieter Ericcson im Leistungszentrum Vernetzte Adaptive Produktion entwickelt. Ende April zeigen die Partner ihre Lösung auf der Hannover Messe erstmals während einer Livedemo der Öffentlichkeit: In Echtzeit übertragen die Fraunhofer-Forscher das Schwingungsspektrum eines gefrästen Blisk-Bauteils mit der 5G-Technologie direkt vom Sensor auf einen Bildschirm. »Mit unserem Messeauftritt wollen wir alle interessierten Unternehmen zu uns nach Aachen einladen, um von der dortigen einzigartigen Testumgebung für 5G-Anwendungen im Industrieumfeld zu profitieren«, wendet sich Niels König, Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik und Koordinator der 5G-Aktivitäten am Fraunhofer IPT, direkt an potenzielle Kunden. »Die Blisk-Fertigung ist nur eines von vielen möglichen Anwendungsfeldern. Aufgrund ihrer Komplexität eignet sie sich aber besonders gut als Demonstrator.«
»Anwendungsbeispiele wie Blisk verdeutlichen – wer seine Produktion für die Zukunft aufstellen will, kommt an 5G nicht vorbei«, erklärt Stefan Koetz, Vorsitzender der Geschäftsführung der Ericsson GmbH. »Natürlich ist es bei Konnektivitätslösungen im Bereich Industrie 4.0 essentiell, einen integren Partner mit höchsten Qualitäts- und Sicherheitsstandards an seiner Seite zu haben. Genau das ist unser Anspruch.«
5G ab 2020
2020 soll 5G als neuer Mobilfunkstandard eingeführt werden. Neben niedrigen Latenzzeiten verspricht er hohe Datenübertragungsraten von bis zu 10 000 Megabit pro Sekunde und lässt es zu, in eng abgesteckten Funkzellen eine Vielzahl an Geräten gleichzeitig zu betreiben. Die 5G-Technologie ermöglicht damit erstmals den Einsatz kabelloser Sensorverbindungen für Echtzeit-Datenanalysen und eine adaptive Regelung der Fertigungsprozesse mit kurzen Reaktionszeiten. »Für die Mobilfunkanbieter wird die größte Herausforderung bis 2020 sein, die Übertragungseinheiten weiter zu verkleinern. Wenn möglich von Laptop- auf Smartphone- bzw. Chipgröße. Unsere Aufgabe ist es, die dafür notwendige Mess- und Regelungstechnik zu entwickeln«, beschreibt König weitere Entwicklungsschritte.
Fraunhofer-Gesellschaft