Entwicklung eines 3D-Endoskops auf Basis einer MEMS-3D-Kamera für die Inspektion von Triebwerkskomponenten - MEMS-Boro

Abstract

Die Aufgabenstellung des Verbundvorhabens MEMS-Boro bestand in der Entwicklung eines neuartigen, dreidimensional messenden Boroskops für die Inspektion schwer zugänglicher Triebwerkskomponenten in der Luftfahrtinstandhaltung. Ausgangspunkt war der Bedarf, bestehende Boroskopieprozesse im MRO-Bereich effizienter, reproduzierbarer und datenbasierter zu gestalten. Während konventionelle Boroskope vor allem der visuellen Begutachtung dienen und drei-dimensionale Messdaten nur in begrenztem Umfang beziehungsweise bei geringen Arbeitsabständen erfassen können, sollte im Projekt ein Messsystem entstehen, das hochauflösende 3D-Daten bereitstellt. Ziel war die Entwicklung eines MEMS-Scanner-basierten 3D-Endoskops, bei dem ein miniaturisierter, zweiachsig beweglicher MEMS-Spiegel einen Laserstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert. Durch die Bewegung des Spiegels entsteht eine definierte Trajektorie, deren Rückreflexion mit einem oder mehreren Sensoren erfasst wird. Auf dieser Grundlage sollte die Entfernung der Bauteiloberfläche durch Triangulation bestimmt und daraus eine 3D-Punktewolke erzeugt werden. Zur Absicherung technologischer Risiken war zusätzlich ein MEMS-Lidar-Prinzip vorgesehen, bei dem die reflektierte Laserstrahlung über eine Fotodiode erfasst und die Distanz mittels Laufzeitmessung bestimmt wird. Die technische Aufgabenstellung umfasste insbesondere die Miniaturisierung der 3D-Messtechnik für den begrenzten Bauraum im Boroskopkopf. Angestrebt wurde ein Endoskopkopfdurchmesser von maximal 8 mm, bei gleichzeitig integrierter MEMS-Spiegeltechnik, Laserquelle, Bildsensorik, Ansteuer- und Auswerteelektronik sowie Datenübertragung. Als Zielgrößen wurden unter anderem eine 3D-Datenerfassung bis zu 400 mm Messabstand, eine hohe Bildrate sowie die Anbindung an eine Anwendungssoftware definiert. Die Sensordaten sollten im Endoskopkopf beziehungsweise in der nachgelagerten Elektronik vorverarbeitet und an einen Auswerterechner übertragen werden. Neben der reinen Sensorentwicklung bestand eine wesentliche Aufgabe darin, das Messsystem in einen realitätsnahen MRO-Inspektionsprozess zu überführen. Dazu mussten zunächst relevante Anwendungsfälle in der Triebwerksinspektion analysiert und daraus Anforderungen an Messbereich, Auflösung, Zugänglichkeit, Beleuchtung, Datenqualität und Auswertung abgeleitet werden. Im weiteren Projektverlauf sollten die entwickelten Teilsysteme zu einem Gesamtdemonstrator integriert, kalibriert und in Systemtests erprobt werden. Abschließend war die Demonstration des MEMS-Boroskops sowie eines geeigneten Inspektionsprozesses im MRO-Umfeld vorgesehen. Für IT Concepts lag die zentrale Aufgabenstellung in der industrietauglichen Integration der miniaturisierten 3D-Technik in ein Boroskopsystem. Dazu gehörten die Anforderungsanalyse für die Boroskop-Hardware, die konstruktive und elektronische Integration der MEMS-3D-Kamera in den Boroskopkopf, der Aufbau eines Demonstrators, die Erprobung an luftfahrtrelevanten Bauteilen sowie die spätere Integration der Hard- und Softwaremodule zu einem Gesamtsystem. Darüber hinaus sollte IT Concepts die technische und wirtschaftliche Verwertbarkeit der Projektergebnisse sicherstellen und damit die Grundlage für eine spätere Nutzung des Systems in der Luftfahrtinstandhaltung schaffen.