TubeInspect im Bereich Luft- und Raumfahrt

In der Luftfahrtindustrie sind die qualitativen Anforderungen an produzierte Rohre wesentlich strenger als in anderen Industrie-Bereichen. Um die Eignung des optischen Rohrmessgeräts TubeInspect für diesen Sektor festzustellen, führte die PFW Aerospace AG eine aufwändige Messmittelanalyse durch.

Dabei ermittelte Martin Seibt, Projektingenieur bei PFW, nicht nur eine hohe Wiederholpräzision des Systems. Auch die Vergleichspräzision war fünf Mal besser als die eines konkurrierenden Messverfahrens. Aufgrund dieser Untersuchungen hat Airbus, Kunde von PFW, die Messmitteleignung des TubeInspect-Systems nun anerkannt für Rohrbögen über 7° und PFW offiziell die Freigabe erteilt, TubeInspect in der Produktion einzusetzen.

Besonderheiten im Luftfahrtbereich

Die Rohrleitungsfertigung im Aerospace-Bereich ist komplexer als es auf den ersten Blick erscheint. Hochentwickelte, von außen unsichtbare Systeme aus gebogenen Rohren verlaufen wie Adern durch jedes moderne Fluggerät - von der Flügelspitze bis zum Fahrwerk. So gibt es beispielsweise Rohrleitungssysteme für Treibstoffe, Hydraulikflüssigkeiten, Luft und Sauerstoff. Die PFW Aerospace AG mit Hauptsitz in Speyer gilt heute als führend auf dem Gebiet der Rohrleitungssysteme für die Luftfahrt und beschäftigt weltweit über 1.500 Mitarbeiter. Zum Kundenkreis gehören renommierte Konzerne wie EADS/Airbus, Boeing, Bombardier und Eurocopter.

Sämtliche Rohrleitungssysteme unterliegen strengen Qualitätsauflagen, denn Ungenauigkeiten können verheerende Folgen nach sich ziehen. Die ungebogenen Rohre, auch Halbzeuge genannt, können nur bei explizit qualifizierten Lieferanten bezogen werden, die die einzelnen Teile mit Zeugnissen ausliefern. Entsprechend sind auch in der Weiterverarbeitung strenge Toleranzvorgaben einzuhalten. Bei der PFW Aerospace AG erfüllt daher der Biegeprozess höchste Ansprüche hinsichtlich einer einwandfreien Geometrie.

Um jedoch profitabel zu sein, muss das Unternehmen die Rohrleitungen auch in kleinsten Losgrößen mit minimalem Ausschuss fertigen. Martin Seibt, Projektingenieur bei PFW, erklärt warum: „Unser Ziel ist es, selbst bei einer Losgröße von Eins profitabel zu fertigen, denn unsere Kunden beauftragen oft nur ein einziges Teil. Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Satelliten. Ein hierfür erforderliches Rohr benötigen Sie genau einmal. Also beauftragen Sie PFW mit der Produktion dieses einen Rohres.“

Aber auch Serienteile für Flugzeuge werden in sehr kleinen Losgrößen von unter zehn Stück bestellt. Da hierfür fast ausschließlich Rohre aus teuren Materialien wie Titan, Edelstahl oder Inconel, das sind korrosionsbeständige Nickelbasislegierungen, verwendet werden, muss der Ausschuss gering gehalten werden. Martin Seibt stellt fest: „Heute ist PFW in der Lage, 20.000 Bauteile mit minimalem Ausschuss sofort zu fertigen. Mehr als zwei Rohre Ausschuss bis zum ersten Gutteil würden für uns einen inakzeptablen Kostenfaktor darstellen.“

Bei der im Aerospace-Bereich typischen großen Produktvielfalt und bei der Herstellung vieler Prototypen bietet sich der Einsatz eines Prüfmittels an, das universell einsetzbar ist. Fertigungsmittel wie manuelle Lehren, die bei jeder Änderung einer Rohrleitung ebenfalls angepasst und zudem über viele Jahre gelagert werden müssen, erweisen sich heute als unwirtschaftlich. Um noch mehr Effizienz bemüht, analysierte PFW daher erstmals das Potenzial eines optischen Messverfahrens und verglich dieses mit dem des tastenden Systems, das bisher zur Überprüfung der gefertigten Rohrleitungen eingesetzt wurde.

Rohrvermessung mit AICONs optischen Rohrmesssystem TubeInspect

Für die Analyse wählte PFW das Messgerät TubeInspect von AICON aus, da dieses System als einziges volloptisches Messsystem am Markt auf die Messung von gebogenen Rohren spezialisiert ist. TubeInspect misst Rohrgeometrien mithilfe von hochauflösenden Digitalkameras hochgenau, ermittelt die Rüst- und Korrekturdaten und überträgt diese an die Biegemaschinen. Der benötigte Zeitbedarf zur Prüfung einer Rohrleitung ist gering: Für eine kurze Kraftstoffleitung liegen die Messergebnisse bereits nach drei Sekunden vor, die Kontrolle einer komplexen Bremsleitung mit mehr als 40 Biegepunkten lässt sich in weniger als 20 Sekunden durchführen. TubeInspect ist in der Lage, kostenintensive mechanische Lehren vollständig zu ersetzen.

Messmittelanalyse anhand von zwei Verfahren

Verfahren 1

Für die Durchführung einer Messmittelanalyse boten sich PFW nach derzeitigem Stand der Technik zwei Verfahren an. Beim sogenannten Verfahren 1 werden die systematische Messabweichung und die Streuung des Messgeräts ohne Bedienereinfluss an Hand eines Prüfnormals beurteilt. Aus der Messwertreihe können Mittelwert, Standardabweichung sowie die systematische Messabweichung berechnet werden.

Übertragen auf die Anforderungen an die Rohrumformung in der Luftfahrtindustrie setzte PFW zur Überprüfung der Messmitteleignung ein DKD-kalibriertes Rohr als Normal ein. Dieses wurde 50 Mal gemessen, wobei das Rohr nach jeder Messung aus der Messzelle genommen und zur nachfolgenden Messung neu platziert wurde. Anhand dieser Messergebnisse prüfte Martin Seibt, ob die gemessenen Werte mit den bekannten Soll-Werten des kalibrierten Rohres übereinstimmen und wie sich die Messergebnisse zueinander verhalten, d.h. wie sehr die Messergebnisse streuen.

Ergebnis Verfahren 1: Messwerte streuen deutlich weniger als die des taktilen Messsystems

Das Ergebnis war überzeugend: TubeInspect ist als Messmittel für die Luftfahrt geeignet, da 99,7% aller gemessenen Biegepunkte um weniger als 0,36mm (Zielwert: 0,50mm) vom wahren Wert abweichen. Dabei war die Wiederholpräzision um ein Vielfaches besser. Die Streuung der Messwerte zum Mittelwert fiel mit ±0,09mm (3 Sigma) deutlich geringer aus als bei dem bisher verwendeten Messverfahren.

Martin Seibt bewertet dieses Ergebnis wie folgt: „TubeInspect zeichnet sich unter optimalen Bedingungen durch eine immens geringe Streuung aus. Die Präzision ist, verglichen mit dem Konkurrenzverfahren, sehr gut.“

Verfahren 2

Das Verfahren 2 wird auch als GR&R-Study (Gage Repeatability & Reproducibility) bezeichnet. Hierbei werden die Wiederhol- und Vergleichspräzision des Messprozesses unter Produktionsbedingungen und Berücksichtigung des Bedienereinflusses bestimmt. Anhand der Ergebnisse wird entschieden, ob der Messprozess für die vorgesehene Messaufgabe geeignet ist.

Im Zuge der Analyse wurden sowohl mit TubeInspect als auch mit dem taktilen System vier höchst unterschiedliche Rohre von vier Maschineneinrichtern unter drei verschiedenen Aufspannungen gemessen. Insgesamt wurden also 48 Messungen pro System dokumentiert.

Ergebnis Verfahren 2: TubeInspect fünf Mal besser als taktiles System

Das Ergebnis dieser Untersuchung kommentiert Martin Seibt wie folgt: „Wir waren überrascht von der herausragenden Performance des TubeInspect-Systems, wenn es um die Vergleichspräzision geht. Hier schnitt AICONs System fünf Mal besser als das taktile Messsystem ab. Wir haben festgestellt, dass die Aufspannung der Rohrleitung beim tastenden System offensichtlich von Messung zu Messung abweicht und so eine enorme Fehlerquelle darstellt. TubeInspect arbeitet dagegen mit einer optischen Einlegehilfe, und jedes Rohr wird in zwei Lagen gemessen. Dadurch erzielt das System die deutlich bessere Vergleichspräzision.“

Fazit

Diese Messergebnisse legte PFW einem seiner wichtigsten Kunden vor: Airbus. Aufgrund der überzeugenden Resultate erhielt PFW von Airbus die offizielle Freigabe, TubeInspect in der Produktion einzusetzen. Das System ist nun im Werk in Speyer implementiert und wird täglich genutzt. Abschließend sagt Martin Seibt: „Die AICON Messtechnik ist die technisch zeitgemäße Antwort auf die steigenden Anforderungen in der Luftfahrtindustrie. Die anderen Hersteller von Messsystemen stoßen dagegen technologisch an ihre Grenzen. Wir sind sehr zufrieden mit unserer Anschaffung.“