Wie der Laser Tracker die moderne Luftfahrtfertigung und den Flugverkehr weltweit verändert hat
Während wir diesen (und jeden) November den Monat der Luftfahrtgeschichte feiern, dreht sich ein Großteil der Diskussion um einige Wendepunkte, die es uns ermöglichten, an den Punkt zu gelangen, an dem die Federal Aviation Administration (FAA) mehr als 16 Millionen Flüge pro Jahr abwickelt, fast 3 Millionen Passagiere pro Tag und 44 Milliarden Pfund Fracht pro Jahr befördert und mehr als 5% des amerikanischen Bruttoinlandsprodukts (BIP) ausmacht. Zu diesen Momenten gehören oft der erste Heißluftballonflug mit mehr Gewicht als Luft im Jahr 1783, der legendäre Flug der Gebrüder Wright im Jahr 1903 und die Boeing 707, die in den 1950er Jahren die Ära der kommerziellen Flüge einleitete.
Ohne einen dieser Momente ist es unmöglich zu sagen, ob der kommerzielle Flugverkehr jemals buchstäblich in die Gänge gekommen wäre. Aber es gab viele andere Entwicklungen, die zum Aufstieg des Flugverkehrs beigetragen haben, insbesondere in den 70 Jahren, seit kommerzielle Flüge verfügbar sind. Einer dieser Durchbrüche geschah im Jahr 1982: Die Erfindung des Laser Trackers.
Zunächst schienen der Laser Tracker und die Fertigung in der Luft- und Raumfahrt auf sehr unterschiedlichen Bahnen zu verlaufen, aber sie würden sich bald auf sehr sinnvolle Weise überschneiden. Dr. Kam Lau, Gründer und CEO von API, tüftelte im Keller des National Institute of Standards and Technology (NIST) am ersten Laser Tracker und seine Gedanken waren während seiner Arbeit weit entfernt von Flugzeugen.
„Der erste Laser Tracker war ein 5/6-D Tracker, der für die Präzisionskalibrierung und Positionskontrolle von Robotern entwickelt wurde“, sagt Dr. Lau. „Aber die Roboterindustrie erlitt einen großen Rückschlag aufgrund der relativ schlechten Leistung von Robotern, die nicht den allgemeinen Leistungserwartungen entsprachen.“
Währenddessen hatte die Luftfahrtindustrie mit dem entgegengesetzten Problem zu kämpfen. Seit 30 Jahren, seit der Entwicklung der Boeing 707, hatte sich die Nachfrage nach Passagier- und Frachtflugzeugen jedes Jahrzehnt verdoppelt. Aber die Ausrichtungs- und Montageprozesse für den Bau dieser Flugzeuge waren sehr zeitaufwendig und die Kosten stiegen, da die Hersteller sich bemühten, Schritt zu halten.
„Viele dieser Vorgänge wurden manuell durchgeführt, nach Augenmaß mit manuellen Hebeböcken, die für die jeweiligen Aufgaben konstruiert wurden“, erinnert sich Steve Powers, ein 20-jähriger Veteran der Luft- und Raumfahrtfertigung in Wichita. „Normalerweise arbeitete immer derselbe Mitarbeiter an dieser speziellen Ausrichtung. Das war natürlich viel ungenauer und führte manchmal zu großen Problemen. Ich erinnere mich an einen Mechaniker, der nie einen Arbeitstag versäumen durfte und für den es unmöglich war, einen Urlaub zu planen. Denn wenn er weg war, konnte das Bauteil nicht zusammengefügt werden. Das war bei der 737 Classic.“
Schon bald nachdem Dr. Lau den ersten funktionierenden Prototyp des Laser Trackers vorgeführt hatte, war das Interesse in vielen Branchen geweckt. Und es dauerte nicht lange, bis sich die Wege des Trackers und der Luftfahrt schließlich kreuzten.
„Es war Boeing zuerst.“, sagt Dr. Lau. „Boeing hat sich 10 Monate Zeit genommen, um die Vorteile und Auswirkungen des Laser Trackers auf ihren Montageprozess zu studieren und dann haben sie den ersten Laser Tracker bei API bestellt.“
Boeing war nicht die einzige interessierte Firma. Lockheed Martin gab ebenfalls eine Bestellung auf und durch die Nutzung der militärischen Priorität erhielten sie ihre Bestellung sogar vor Boeing. Der Rest der Industrie war nicht weit dahinter und die Ergebnisse waren unmittelbar und lang anhaltend.
„Geschwindigkeit und Genauigkeit“, sagt Steve Powers, wenn er nach den Vorteilen von Laser Trackern gefragt wird. „Die Anforderungen unterscheiden sich von Kunde zu Kunde mehr, und die ersten montierten Einheiten haben mehr Messanforderungen. Der Laser Tracker hat dazu beigetragen, den Produktionsfluss zu beschleunigen und ein qualitativ besseres Endprodukt zu fertigen.“
Und beide Männer sind sich einig, dass Laser Tracker das Design und die Fähigkeiten von Flugzeugen in den letzten 35 Jahren beeinflusst haben. „Es ist schwer vorstellbar, wie die Luft- und Raumfahrtproduktion ohne Laser Tracker aussehen würde“, sagt Dr. Lau. „Die Benutzerfreundlichkeit, Robustheit und Genauigkeit des Laser Trackers wurde so dominant, dass er die anderen Technologien und Produkte verdrängt hat.“
„Nun, es gäbe natürlich weniger Präzision“, sagt Steve Powers. „Die Messanforderungen an heutige Flugzeuge sind mit dem Einsatz von Laser Trackern fast unmöglich zu erfüllen. Ohne sie hätten die Toleranzen auf keinen Fall so klein werden können. Es ist unglaublich, wie klein die Toleranzen geworden sind.“
Die Partnerschaft hat nicht nur den Herstellern der Luft- und Raumfahrtindustrie Vorteile gebracht. Mit der Integration der Tracker in ihre Umgebungen haben Ingenieure und Anwender Feedback zur Verbesserung der Trackerleistung entwickelt. Und die OEMs haben zugehört.
„Anfänglich waren die meisten Tracker ziemlich groß und schwer zu transportieren“, erinnert sich Steve Powers. „Kleiner und leichter war der Weg und dann brachten drahtlose Targets und aktive Ziele die Messungen auf die nächste Stufe.“
„Die Flugzeugindustrie hat im Laufe der Jahre drei der wichtigsten Verbesserungen der API-Tracker vorangetrieben“, sagt Dr. Lau. „Zuerst entwickelten wir ein sehr kompaktes und hochgenaues Entfernungsmessgerät namens ADM (absolute distance measuring device), um die zuverlässigste und bequemste Messung in der Industrie zu ermöglichen. Dann stellten wir unser patentiertes Active Target (AT) her, weil man den Laser Tracker für die Kalibrierung großer mehrachsiger Werkzeugmaschinen verwendete. Und wir entwickelten iVision Auto-Lock. Wegen der ständigen Strahlunterbrechung hilft Auto-Lock dem Tracker, den Strahl mit Leichtigkeit wiederzufinden.“
Da sich die Laser Tracker und die Luftfahrtindustrie gegenseitig in einer Schleife von Prozessverbesserungen und ehrgeizigeren Designs angetrieben haben, konnte die Industrie mit der ständig steigenden Nachfrage Schritt halten. Und obwohl es viele andere Faktoren gibt, wie z. B. bessere Pilotenausbildung und Autopilot-Software, verbessertes Radar für die FAA-Unterstützung und besser konstruierte Designs mit Ausfallsicherheiten, sind die Flugzeuge, die gebaut werden, um mit dieser Nachfrage Schritt zu halten, die sichersten, die die Welt je gesehen hat. Im Jahr 2017 gab es 44 flugzeugbedingte Todesfälle und obwohl das immer noch 44 zu viel sind, sind es 98% weniger als die fast 2.500 im Jahr 1972. Im Jahr 2019 gab es 20 Flugunfälle, was einer Rate von 1 auf 2.000.000 Flüge entspricht und 1/3 der Zahl, die wir noch vor 20 Jahren gesehen haben.
„Ohne Frage haben die Laser Tracker einen großen Anteil an der Entwicklung der modernsten Flugzeuge der Welt“, sagt Steve Powers. „Sie haben die Dinge präziser gemacht, was wiederum den Fertigungsprozess schneller und einfacher und mit weniger Fehlern macht.“
„Flugzeuge werden mit besserer Präzision und Kontrolle in der Fertigung leichter und sicherer gebaut“, sagt Dr. Lau. „Die Laser Tracker Technologie hat Milliarden von Dollar an Herstellungskosten, Treibstoffverbrauch, Produktionszeit, Ausschuss und automatisierten Inspektions- und Montageprozessen eingespart.“
Und auch wenn zukünftige Technologien die Dominanz der Laser Tracker in der Luftfahrtfertigung vielleicht schon in den nächsten 10 Jahren schmälern werden, kann man die Bedeutung der Laser Tracker für die Industrie kaum überschätzen.
„Die Entwicklung wird sich höchstwahrscheinlich um berührungslose Messungen drehen“, sagt Steve Powers. „Aber ich bin mir nicht sicher, ob man jemals von der Verwendung manueller Zielmarken mit Bohrungen zur Ausrichtung wegkommen wird.“
„Die Laser Tracker Technologie wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie noch 10 bis 12 Jahre dominieren“, sagt Dr. Lau. „Ja, es wird eine Technologie oder Technologien geben, die irgendwann die Vorherrschaft übernehmen werden, aber es wird immer eine Rolle für einen robusten, gut integrierten und kostengünstigen Laser Tracker in der Luft- und Raumfahrtindustrie geben.“
Quellen:
https://www.icao.int/sustainability/pages/facts-figures_worldeconomydata.aspx
https://www.icao.int/sustainability/pages/facts-figures_worldeconomydata.aspx
https://www.statista.com/chart/12393/2017-was-the-safest-year-in-the-history-of-air-travel/
https://www.faa.gov/air_traffic/by_the_numbers/
