MEMS-Boro

Inspektionen schwer zugänglicher Flugzeugbauteile stellen die Luftfahrttechnik vor große Herausforderungen. Der steigende Bedarf, schwer zugängliche und sicherheitsrelevante Bereiche von Flugzeugen effizient und zuverlässig inspizieren zu können, erfordert innovative Lösungen. Insbesondere die hohen Sicherheitsstandards machen es notwendig, selbst kleinste Schäden oder Abweichungen frühzeitig zu erkennen. Bisherige Technologien bieten zwar Ansätze, erreichen jedoch nicht die gewünschte Miniaturisierung und Flexibilität.

Konventionelle Boroskope beleuchten zwar die gesamte Inspektionsszene, jedoch ist ihre maximale Beleuchtungsintensität durch die Notwendigkeit, Wärme in einem sehr begrenzten Raum abzuleiten, eingeschränkt. Außerdem ist ihre Baugröße für einige Untersuchungen, z.B. an Triebwerken, zu groß.

Das technologische Ziel des Projekts war die Entwicklung eines hochpräzisen Boroskops, das dreidimensionale Messungen mit einer bislang unerreichten Messtiefe ermöglicht. Die digitale Datenanalyse soll nicht nur die Inspektionsprozesse beschleunigen, sondern auch die Diagnosen erheblich verbessern.

MEMS-basierte 3D-Scanner können Laserlicht auf einen kleinen Punkt fokussieren, wodurch die lokale Beleuchtungsintensität erhöht und die Abhängigkeit von der Oberflächentextur reduziert wird. Die Kombination aus MEMS-Technologie und Laserlicht bietet außerdem im Vergleich zu herkömmlichen Inspektionsverfahren mit Boroskopen den Vorteil der Miniaturisierung und erlaubt damit eine präzisere und schnellere Analyse schwer zugänglicher Bereiche. 

Das Fraunhofer ISIT verfolgt in dem Projektverbund die Entwicklung einer neuartigen 3D-MEMS-Kamera, die in Boroskopen zum Einsatz kommen soll. Ziel war es, die Effizienz und Sicherheit der Inspektionen durch Digitalisierung und Miniaturisierung signifikant zu steigern.

Als Basis liegen hierzu auf Seiten des ISIT bereits Patente und Entwicklungen im Bereich MEMS-Spiegel und 3D-Kameras vor.

Kernkomponenten dieser Technologie sind ein zweiachsiger MEMS-Spiegel und eine miniaturisierte Laserlichtquelle.

In der geplanten 3D-MEMS-Kamera wird der zweiachsige MEMS-Spiegel zur Ablenkung des Laserstrahls eingesetzt. Der kontinuierlich strahlende Laserscanner dient zur schnellen Musterprojektion, aus deren Verformung über eine Stereokamera hochgenau auf die Objektdistanz und Topografie rückgeschlossen werden kann. Besonders vielversprechend ist die Nutzung von dynamischem strukturiertem Licht zur 3D-Rekonstruktion, ergänzt durch phasenmodulierte LiDAR-Systeme für hochauflösende Tiefenmessungen. 

Diese Technologie ermöglicht dreidimensionale Messungen mit hoher lateraler Auflösung und schneller Messgeschwindigkeit. Eine KI-basierte automatisierte Datenauswertung, die Defekte erkennen und klassifizieren kann, erhöht zudem den Automatisierungsgrad im Vergleich zu den derzeit noch manuell durchgeführten Prozessen der Triebwerksinspektion erheblich.

Ein Schwerpunkt des ISIT im Projekt war es, den leistungsfähigen MEMS Spiegel zu entwickeln, welcher im Boroskop als Laserablenkungsystem zur Abtastung der zu inspizierenden Oberfläche geeignet ist. Das Ziel war ein Scanner, der mit einer miniaturisierten Baugröße in den finalen Boroskopkopf passt, gleichzeitig ein möglichst großes Field-of-View aufweist und zudem alle weiteren Parameter, die das Boroskop erfüllen soll, wie z.B. Pixel-Auflösung und Positionsbestimmung, ermöglicht.

Für die Entwicklung der miniaturisierten Laserlichtquelle wurden zwei Konzepte zur Laserintegration untersucht: Die erste Variante platziert eine Laserdiode und weitere optische Komponenten wie Linsen und Prismenim Boroskopkopf, während die zweite Variante Faseroptiken nutzt.,

Das projizierte Muster kann dynamisch verschoben werden, was bei der Kantenerkennung hilft und die Messgenauigkeit verbessert. Zeitflug- oder Phasenverschiebungsmethoden können im Boroskop integriert werden, was eine verbesserte laterale und Tiefenmessgenauigkeit verspricht.

Das geplante MEMS-Scanner basierte Boroskop soll final einen Durchmesser von weniger als 8 mm aufweisen und ein Sichtfeld von 50° x 30° abdecken – Maße, die mit bisherigen Lösungen kaum erreicht wurden. 

Die erfolgreiche Umsetzung des Projekts basiert maßgeblich auf der engen Zusammenarbeit der Partner. Beteiligt sind IT Concepts GmbH, die Technische Universität Hamburg (TUHH) – Institut für Flugzeug-Produktionstechnik, 3D.aero GmbH, Leder Elektronik Design GmbH und das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT).

Gefördert wird das Vorhaben durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), Bereich Luftfahrtforschung (LuFo).