Sensorik und KI optimieren Fertigung von Trägerraketen

Hochtechnologie für Einsatzzwecke im Weltraum kommt jetzt aus Aachen: Gemeinsam mit der ArianeGroup arbeitet das Fraunhofer IPT an einem Konzept, um die Herstellungsverfahren für die Oberstufe der neuen Trägerrakete ständig weiter zu verbessern.

Start einer "Ariane"-Rakete: Ein aktuelles Forschungsprojekt will die Produktion von Komponenten mithilfe von Künstlicher Intelligenz optimieren,

Foto: ArianeGroup/Pagecran

Wettersatelliten, die im Weltall um die Erde kreisen, erfüllen wichtige Funktionen: Sie sollen zum Beispiel Daten zur Klimaforschung liefern und dabei helfen, die Wettervorhersage noch präziser zu machen. Die vom Satelliten stammenden Daten werden dann beispielsweise nach Darmstadt zur Europäischen Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten gesendet. Dort sind Wetterexperten ansässig, welche die Auswertung vornehmen. Auf diese Weise lassen sich auch Klimaveränderungen genauer überwachen, etwa die Größe des Ozonlochs. Von großer Bedeutung sind neben den Wetter- auch Navigationssatelliten, die zur Positionsbestimmung von Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen dienen.

Strategisch wichtig: neue europäische Trägerrakete Ariane 6

Doch bevor die Satelliten zuverlässig ihre Daten liefern können, müssen sie ins All transportiert werden. Hierzu werden Trägerraketen genutzt, die die kostbaren Satelliten möglichst reibungslos und zielgenau in die die korrekte Umlaufbahn befördern. Bis zuletzt wurden zu diesem Zweck auch häufig russische Sojus-Raketen genutzt. Dies lief nicht immer problemlos ab. Inzwischen jedoch zählt der Transport von neuen Navigations- und Wettersatelliten in den Weltraum zu den wichtigsten Zielen der deutschen Raumfahrtstrategie.

Die aktuell in der Entwicklung befindliche europäische Ariane-6-Trägerrakete soll diese Aufgabe zukünftig übernehmen und dafür am internationalen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana abheben. Die neue Version aus der Ariane-Serie ist für eine Nutzlast von 5 Tonnen bis 11,5 Tonnen ausgelegt. An Entwicklung und Produktion sind Unternehmen aus 13 ESA (European Space Agency)-Mitgliedsstaaten beteiligt. Während die Produktion von Komponenten für die Ariane 6 bereits mit Hochdruck gestartet ist, will das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen in einer Kooperation mit der ArianeGroup die Herstellungsverfahren für die Oberstufe der Trägerrakete permanent weiter optimieren. Hierfür sollen geeignete Sensorik und Methoden Künstlicher Intelligenz (KI) zum Einsatz kommen.

Das Fraunhofer IPT Aachen, ein produktionstechnisches Institut der Fraunhofer-Gesellschaft – der größten Organisation für angewandte Forschung in Europa – profitiert dabei von einem interdisziplinären Forschungsnetzwerk aus 74 Instituten und Forschungseinrichtungen. Die Kooperationen sowie die Nähe zur RWTH Aachen versetzen es in die Lage, interdisziplinäre Aufgaben auch über die Grenzen des Instituts hinaus zu lösen. Thematisch gesehen, stehen Systemlösungen für die vernetzte, adaptive Produktion im Fokus. Die Auftraggeber und Kooperationspartner kommen aus der gesamten produzierenden Industrie: aus der Luft- und Raumfahrttechnik, dem Automobilbau und seinen Zulieferern, dem Werkzeug- und Formenbau, der feinmechanischen und optischen Industrie, aber auch aus den Life Sciences und weiteren Branchen.

Forschungsprojekt hat auch Kostensenkung im Fokus

Ein unabhängiger Zugang zum Weltraum steht für Europa ganz oben auf der Prioritätenliste. Der Markt an kommerziellen Anbietern für Satellitenstarts wächst. Wichtig erscheint daher, dass Europa mit der eigenen Produktion einer neuen Generation von Trägerraketen wettbewerbsfähig bleibt. Dazu gehört auch, die Fertigungskosten für die einzelnen Komponenten so deutlich wie möglich zu senken.

Beladevorbereitung in Ariane 6-Tankcenter Bremen: Ein Mitarbeiter kontrolliert das Wiegen der Stufe und das Verpacken. Die Stufe wird auf das Transportgestell montiert.

Foto: Frank T. Koch/Hill Media GmbH

Mit dem Ziel, die Produktionsverfahren für die Oberstufe der Ariane 6 zu optimieren, hat sich die ArianeGroup im BMWi-geförderten Forschungsprojekt „Spok“ mit dem Fraunhofer IPT zusammengeschlossen. Das Vorhaben mit dem vollständigen Titel „Spok – Entwicklung eines smarten Produktionskonzeptes“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Nationalen Programm für Innovation, Technologie und Neue Mobilität unter dem Förderkennzeichen 50RL2050 gefördert. Gemeinsam wollen die Partner darin untersuchen, inwieweit sich die vorhandenen Produktionsdaten der maschinenintegrierten Sensoren durch KI automatisiert analysieren lassen, um Produktionseffizienz und -qualität zu verbessern und Fertigungsprozesse flexibler zu gestalten.

Sensoren überwachen die Produktion, KI wertet die Daten aus

Hochautomatisierte Fertigungsprozesse, die sie auch bei der Produktion der Komponenten für die Ariane-6 zum Einsatz kommen, werden von zahlreichen Sensoren überwacht. Die Planung und Steuerung dieser Prozesse lauft äußerst vernetzt ab. Damit erlaubt sie es, ermittelte Produktionsdaten auf Basis von KI und maschinellem Lernen auszuwerten. Auch Vorhersagen, wie Fertigungsprozesse und -werkzeuge sich im Produktionsprozess verhalten, lassen sich auf diese Weise ableiten.

In Spok analysieren die Aachener Forschenden dafür zunächst die einzelnen Stationen der Prozesskette, um die Eignung für den KI-Einsatz festzustellen. Gleichzeitig wägen sie für die konkreten Anwendungsfälle ab, welche Methoden und Modelle der KI sich jeweils am besten eignen, um die gesteckten Ziele der ArianeGroup zu erfüllen. Eine Bewertungsmethodik wird im Projekt ebenfalls entwickelt: Sie dient dazu, festzustellen, inwieweit die Ergebnisse der KI-Anwendung zur Effizienzsteigerung und Flexibilisierung der Produktion beitragen können. Voraussetzung ist, dass die Bauteilqualität gleich bleibt oder sogar besser wird.

Digitaler Zwilling dient zur Optimierung der Qualitätsdaten

Auf Grundlage der gewonnenen Informationen wählten die Projektpartner gemeinsam geeignete Teststationen aus, an denen die erarbeiteten Konzepte am realen Anwendungsfall ausführlich getestet und erprobt werden können: So kann beispielsweise eine Ursache-Wirkungs-Analyse zu einer weiteren industrietauglichen Optimierung des Sprühschaum-Auftrag-Prozesses führen. Der Sprühschaum liefert einen Beitrag für den thermischen Schutz der Rakete.

Außerdem wird während der Implementierung der hochkomplexen Prozesskette ein „digitaler Zwilling“ (englisch „Digital Twin“) erzeugt. Der Begriff bezieht sich auf ein computerunterstütztes Modell eines – in diesem Fall materiellen – Objekts und verwendet dazu reale Daten der installierten Sensoren. Diese Kopplung der virtuellen und der realen Welt gestattet die Analyse von Daten und die Überwachung von Systemen. Heutzutage decken digitale Zwilling bereits den gesamten Lebenszyklus eines Produkts, Prozesses oder sogar Geschäftsmodells ab. Im Fall der Ariane-Oberstufe soll er dazu beitragen, die übergreifenden Analysen der Qualitätsdaten weiter zu verbessern. Schon jetzt zeigt sich im Projekt, dass die Erstellung eines solchen digitalen Zwillings auch für verschiedene weitere Anwendungsfälle im Bereich der Trägerrakete von Nutzen sein könnte.