Ver­kür­zung der Ent­wick­lungs­zeit von Flug­zeu­gen durch KI

Im All­ge­mei­nen spart eine kür­ze­re Ent­wick­lungs­dau­er bei der Pro­dukt­ent­wick­lung nicht nur Zeit und Kos­ten, son­dern führt eben­so zu einer erhöh­ten Wett­be­werbs­fä­hig­keit. Erreicht wer­den kann dies durch effi­zi­en­te­re und schnel­le­re Prü­fungs­pro­zes­se. Bei der Flug­zeug­ent­wick­lung und ‑zer­ti­fi­zie­rung tra­gen die Ermü­dungs­ver­su­che (EF) am Gesamt­flug­zeug wesent­lich zur Dau­er des Ent­wick­lungs­pro­jekts bei. Ziel ist es, die Zeit vom Pro­jekt­start bis zur Zer­ti­fi­zie­rung von etwa acht auf fünf Jah­re zu verkürzen.
Im Vor­ha­ben »F‑REE« – Fraun­ho­fer-Gesell­schaft-Rapi­dEF Enab­lers – sol­len inno­va­ti­ve KI-Ver­fah­ren ent­wi­ckelt, opti­miert und in indus­tri­el­ler Umge­bung ein­ge­setzt wer­den. Schwer­punkt­mä­ßig sol­len die Prüf­pro­zes­se beschleu­nigt und deren Zuver­läs­sig­keit deut­lich ver­bes­sert wer­den. Auch wird dadurch eine zeit­in­ten­si­ve manu­el­le Inter­pre­ta­ti­on der auf­ge­zeich­ne­ten Daten vermieden.
Aktu­ell befin­det sich die indus­tri­el­le Welt in einem Umwäl­zungs­pro­zess – beschrie­ben durch den Begriff Indus­trie 4.0 (I4.0). Die moder­ne digi­ta­le zer­stö­rungs­freie Prü­fung umfasst inner­halb der I4.0 die Aspek­te der robo­ter­ge­stütz­ten Inspek­ti­on sowie die Bewer­tung der Pro­dukt­in­te­gri­tät. In dem vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz (BMWK) geför­der­ten Ver­bund­vor­ha­ben wer­den inno­va­ti­ve Algo­rith­men der künst­li­chen Intel­li­genz ent­wi­ckelt, mit denen die Feh­ler­erken­nung basie­rend auf mul­ti­moda­len ZfP-Daten ermög­licht wird. Opti­sche, ther­mi­sche und Defor­ma­ti­ons­mes­sungs­ver­fah­ren wer­den zusam­men­ge­führt und inter­pre­tiert. So wird eine zeit­auf­wän­di­ge manu­el­le Inter­pre­ta­ti­on der ZfP-Daten erleich­tert und oft­mals ganz ersetzt.

“Durch die Mini­mie­rung der mensch­li­chen Ein­flüs­se wer­den die Prü­fungs­pro­zes­se effi­zi­en­ter und schnel­ler, was letzt­end­lich zu einer höhe­ren Wett­be­werbs­fä­hig­keit führt.”
— Prof. Ahmad Osman, Projektleiter

Die­se inno­va­ti­ven Ansät­ze wer­den im Pro­jekt zur Ver­kür­zung der Ver­suchs­pha­sen genutzt: Zum einen »erklär­ba­re KI-Model­le« für eine nach­voll­zieh­ba­re mul­ti­moda­le ZfP-Daten­aus­wer­tung, zum ande­ren auto­ma­ti­sier­te Über­wa­chungs- und Inspek­ti­ons­ver­fah­ren im lau­fen­den Betrieb. Dazu wer­den die kon­ti­nu­ier­lich erfass­ten Daten in Echt­zeit ana­ly­siert. Schä­den am Flug­zeug­rumpf wer­den so mit­tels künst­li­cher Intel­li­genz früh­zei­ti­ger erkannt und bewer­tet. KI-Algo­rith­men, ins­be­son­de­re Deep Lear­ning, haben sich in den letz­ten Jah­ren als Schlüs­sel­tech­no­lo­gie für die kom­ple­xe Daten­ana­ly­se her­aus­ge­stellt. Ihr Ein­satz für die auto­ma­ti­sier­te Qua­li­täts­si­che­rung im Zusam­men­hang mit ZfP-Ver­fah­ren, ins­be­son­de­re in der Luft­fahrt, hat sich bis­her nicht etabliert.
Für das Pro­jekt beschäf­tigt sich das Fraun­ho­fer IZFP mit der Ver­kür­zung der Still­stand­zeit. Dabei wird auf Unter­bre­chun­gen des Ver­suchs­be­triebs für Inspek­tio­nen und Repa­ra­tu­ren ver­zich­tet. Not­wen­dig ist dazu eine stän­di­ge Kennt­nis über den aktu­el­len Zustand des Prüf­ob­jekts: Die­ser soge­nann­te »digi­ta­le Zwil­ling« wird durch kon­ti­nu­ier­lich mes­sen­de Daten­er­fas­sungs­sys­te­me ermög­licht. Vir­tu­el­le Sen­so­ren, mul­tika­me­ra­ba­sier­te 3D-Ver­for­mungs­mess­sys­te­me wer­den mit opti­schen, ther­mo­gra­phi­schen und akus­ti­schen Ver­fah­ren kom­bi­niert und in ein Gesamt­sys­tem inte­griert. Die Über­la­ge­rung die­ser Mess­da­ten zusam­men mit Mate­ri­al- und Pro­zess­pa­ra­me­tern bil­den den digi­ta­len Zwilling.

Moder­ne­re Tech­ni­ken, neue Kon­zep­te, neue Designs

»Die Still­stand­zei­ten eines Ermü­dungs­ver­suchs im ers­ten Flug­zeug­le­ben sol­len um 80 Pro­zent redu­ziert wer­den. Die Attrak­ti­vi­tät ergibt sich aus dem Ein­satz auto­ma­ti­sier­ter Ver­fah­ren, die einen unter­bre­chungs­frei­en Betrieb ermög­li­chen«, so Prof. Ahmad Osman.
So soll mit­hil­fe eines soge­nann­ten »Rapi­dEF-Pro­zes­ses« eine signi­fi­kan­te Beschleu­ni­gung des Gesamt­flug­zeug-Ermü­dungs­ver­suchs erreicht wer­den. Hier­bei wird das ers­te Flug­zeug­le­ben ohne Unter­bre­chun­gen mit höchst­mög­li­cher Ver­suchs­ge­schwin­dig­keit simu­liert. Die Ver­such­s­er­geb­nis­se ste­hen zudem bereits vor dem Erst­flug zur Ver­fü­gung. Die­ses Pro­jekt schafft Vor­aus­set­zun­gen, um in allen Pha­sen des Ver­suchs deut­li­che Ver­kür­zun­gen zu erreichen.
Auch wird die zeit­li­che Genau­ig­keit der Daten gestei­gert. Durch ein sys­tem­über­grei­fen­des Daten­ma­nage­ment­sys­tem kön­nen gro­ße Daten­men­gen in Echt­zeit ver­ar­bei­tet wer­den. Eine wei­ter­füh­ren­de Scha­dens­re­kon­struk­ti­on, eine direk­te Über­füh­rung in den digi­ta­len Zwil­ling und eine auto­ma­ti­sche nume­ri­sche Ana­ly­se ermög­li­chen eine Bewer­tung in Echtzeit.