Messen von Großstrukturen

Building Information Modeling (BIM) ist ein Ansatz zur integralen Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Gebäuden. Bei der Planung von Stahl- und Verbundbrücken, insbesondere aber beim Lebenszyklusmanagement, der Instandsetzung und Modernisierung, befindet sich die Entwicklung des BIM noch in den Anfängen. Dies ist besonders besorgniserregend angesichts des schlechten Zustands vieler nationaler Brücken und der damit verbundenen hohen Investitionskosten. Ziel des Forschungsprojekts BIM-LeB ist daher die Neuentwicklung eines BIM-gestützten Lebenszyklusmanagements von Stahl- und Verbundbrücken auf der Basis einer virtuellen Bauzustandsanalyse mit sensorgestützter Zustandserfassung, automatischer Methoden zur Erkennung und einer digitalen Verwaltung von Schäden inkl. Schadensdokumentation bis zur Bereitstellung von Handlungsempfehlungen für den Bauherrn.

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Absteckungsaufgaben sind auf Grund des derzeitigen Standards, zeitaufwendig, stark manuell geprägt und fehleranfällig. Kommerzielle Projektionssysteme werden vorrangig für den statischen Einsatz über Produktionslinien befestigt, um repetitive Produktionsschritte zu projizieren. Zur Entwicklung eines mobilen Laserprojektors muss der herkömmliche Workflow grundlegend verändert werden, beginnend mit einer alternativen Referenzierung des Instrumentes und der Adaption an den möglichen Datenfluss in der schiffbaulichen Fertigung. Für einen effektiven und mobilen Einsatz fehlt jedoch auch eine Schnittstelle zwischen der Konstruktion und dem Projektionssystem sowie an schnellen Referenzierungsalgorithmen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es diese Lücke zu schließen, um so die manuellen Hilfsmittel durch eine „digitale Schablone“ zu ersetzen.

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Aufgrund des sich erhöhenden Wettbewerbsdruck der Werften steigt im Schiffbau der Anspruch an Produktivität, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit. Dabei ist die Nachfrage einer Digitalisierung der Prozesse groß. Das Forschungsvorhaben DiGoCheck hat das Ziel im Fertigungs- und Prüfprozess großer Volumenstrukturen im Schiffbau neue Wege der geometrischen Qualitätssicherung zu gehen. Basierend auf neuen und effektiven Messmethoden mittels 3D-Laserscanning, der Analyse von bestehenden Toleranzen und der Visualisierung von Fertigungsabweichungen mittels AR, versucht das Projekt die herkömmlichen Montageprozesse zu einer geschlossenen digitalen Prozesskette umzuformen. Dadurch ergeben sich durch eine konsequente Rückführung der Erkenntnisse und die Verminderung von Nacharbeiten, nicht nur planerische, sondern auch große wirtschaftliche Vorteile.

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Die Prüfung von Windenergieanlagenrotorblättern auf mögliche Schäden erfolgt aktuell durch Industriekletterer*innen, die eine manuelle Klopfprüfung mit paralleler Fotodokumentation durchführen. Doch dieser Prozess birgt ein hohes Risiko für die Ausführenden und liefert nur punktuelle Ergebnisse. Im Verbundprojekt ARGOS soll eine automatisiert agierende Messplattform entwickelt werden, die mittels aktiver Thermographie, Fotographie und Ultraschallprüfung eine ganzheitliche Bestandsaufnahme der WEA Rotorblätter ermöglicht. Zudem wird eine Manipulatorik zur Durchführung von Reinigungs- und Wartungsarbeiten installiert. Die verorteten Sensordaten werden zu einem dreidimensionalen digitalen Abbild der Rotorblätter zur Fehlerdetektion zusammengefügt. Wirtschaftlichkeit, Ganzheitlichkeit und Sicherheit der Inspektion werden so erhöht.

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Für eine zustandsorientierte Instandhaltung von Großkraftmaschinen ist eine kontinuierliche Zustandsüberwachung unabdingbar. Fehler der Maschinen äußern sich weit vor einem Ausfall durch eine Veränderung der Geräusch- und Vibrationssignatur. Verfügbare Sensorsysteme nutzen diese akustischen Größen, um den Zustand einzelner Komponenten zu erfassen. Im Gegensatz dazu wird im Vorhaben AKKUT eine ganzheitliche Überwachung des Aggregats über den gesamten Lebenszyklus angestrebt. Dies erfordert eine Erweiterung von Einzelsystemen zu Sensornetzwerken mit einer kontinuierlichen Überwachung und Ansätze der Industrie 4.0: Digitalisierung, Vernetzung und Machine Learning. Innerhalb der drei Forschungsprojekte ASEDA, IDaS und AKKUT/E werden Teilkomponenten entwickelt und im Gesamtvorhabens AKKUT zu einem Condition-Monitoring-System zusammengeführt.

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Das Leistungsspektrum der Forschungsgruppe „Smart Ocean Technologies“ soll durch den Aufbau zusätzlicher Infrastruktur erweitert werden. Durch äußere Einflussfaktoren (Wellengang, Wind, fehlende Haltestrukturen) ist es schwierig, stabile Rahmenbedingungen während der Messungen unter Wasser zu gewährleisten. Für Tests von Sensorik oder Materialwirkungen unter Wasser werden realistische Daten der Umgebung benötigt. Zu diesem Zweck soll als Infrastruktur ein Reallabor entwickelt werden, das für SOT-interne Projekte aber auch für Tests mit Projektpartnern oder als Service für Kunden zur Verfügung steht. Durch die Entwicklung eines MiniLab an der Warnow in der Nähe zum SOT-Büro entstehen Kompetenzen, Technologien und Kenntnisse, die für zukünftige Installationen im künstlichem Riff Nienhagen und am »Digital Ocean Lab« von Bedeutung sind.

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Im Projekt „Entwicklung eines Reinigungs- und Inspektionssystems für Servicefahrzeuge in Solarparks (ERIS)“ wird ein System entwickelt, mit dem es automatisiert möglich sein soll, Solarpanele sowohl zu reinigen als auch defekte Solarzellen zu detektieren. Auf einem mobilen Servicefahrzeug soll dabei ein Haltungssystem in Form eines Arms installiert sein, an dem Module entweder zur Reinigung oder zur Inspektion der Solarpanele angebracht werden können. Für den eigentlichen Reinigungs- bzw. Inspektionsvorgang wird das Servicefahrzeug in Position zum Solarpanel gebracht. Ein Feinpositionierungssystem soll die Führung des Haltearms innerhalb des Aktionsradius übernehmen und sowohl das Reinigungs- als auch das Inspektionssystem automatisch in definierte Stellungen zum Solarpanel bringen, so dass eine Inspektion bzw. Reinigung durchgeführt werden kann.

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In Deutschland werden Verkehrstunnel mit einer Gesamtlänge von über 1400 km genutzt, die deutliche Mehrheit hiervon für den Zugverkehr. Regelmäßige Inspektionen sind von großer Bedeutung für den dauerhaft sicheren Einsatz dieser Infrastrukturbauwerke, die in der Regel auf eine Nutzungsdauer von 100 Jahren ausgelegt sind. Aktuell werden zum Auffinden verdeckter Fehlstellen während der Tunnelprüfung die Wände manuell abgeklopft. Im Projekt LaserBeat wird in einer Fraunhofer-internen Kooperation der Institute IPM und IGP ein Ansatz zur Automatisierung dieses zeitaufwändigen Vorgangs verfolgt. Mit dem Einsatz von Lasersystemen zur Anregung und Messung mechanischer Schwingungen in der Tunnelwand wird eine kontaktlose und damit flexible und schnelle Abtastung großer Flächen möglich. Zur Fehlerdetektion werden die empfangenen Oberflächenschwingungen analysiert und nach lokalen Anomalien gesucht, die einen Hinweis auf verdeckte Defekte geben.

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Das Fraunhofer IGP verfolgt das Ziel einer Monitoringlösung für Verformungen bzw. Deformationen bei großen Strukturen wie z.B. bei schwimmenden Offshore-Strukturen. Dies umschließt sowohl die Bereiche über als auch unter Wasser. An neuralgischen Stellen der Struktur sollen Sensoren das Strukturverhalten überwachen. Zusammen mit dem Projektpartner Evologics werden Lösungen gefunden, um auch ein periodisches und/oder kontinuierliches Monitoring unter Wasser zu realisieren. Die Verarbeitung und Auswertung der erfassten Daten erfolgt durch das IGP. Liegen zeitlich synchronisierte Sensordaten mit räumlichem Bezug unter und über Wasser zueinander vor, können diese Daten gemeinsam ausgewertet werden. Unter Berücksichtigung der kausalen Zusammenhänge können Zustandsbeurteilungen vorgenommen werden und Abweichungen zum geplanten Verhalten bzw. zu Prognosemodellen für das zukünftige Strukturverhalten berücksichtigt werden.

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Bauwerke sind Langfristobjekte, die im Verlauf ihrer planmäßigen Nutzung aufgrund von dynamischen und statischen Beanspruchungen einer Degradation unterliegen. Zur Reduzierung daraus resultierender Schäden ist ein nachhaltiges Bauwerksmanagement in Form von Bauwerksprüfungen in regelmäßigen Abständen durchzuführen, die in der Regel zeit- und personalintensiv und mit Nutzungsbeschränkungen des Bauwerkes verbunden sind. Um eine einfache, beschleunigte und regelmäßige Bauwerksprüfung zu ermöglichen, wurde in dem Vorhaben InüDosS ein Inspektionssystem für die automatisierte Zustandserfassung von Bauwerken entwickelt. Dafür werden automatisiert agierende unbemannte Flugobjekte (UAV) zur Zustandserfassung der Bauwerke genutzt. Anschließend werden etwaige Schäden in den Bilddaten mit Hilfe neuronaler Netze erkannt und auf Grund ihrer Art, Größe sowie Lage im Bauwerk bewertet. Dadurch werden  Bauwerksprüfer bei der Ableitung von Handlungsstrategien unterstützt.

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Im Rahmen des Verbundprojektes „Hybride 3D Bestandsdatenerfassung und modellgestützte Prüfung von Verkehrswasserbauwerken für ein nachhaltiges Infrastruktur-Lifecycle-Manage­ment – 3D HydroMapper“ entwickelt das Fraunhofer IGP in Zusammenarbeit mit Dr. Hesse und Partner Ingenieure in Hamburg (dhp:i), WKC Hamburg GmbH (WKC),  dem Geodätischen Institut Hannover (GIH) und dem Hafenbetreiber und Dienstleister Niedersachsen Ports (NPorts) ein System zur digitalen Bauwerksinspektion von Verkehrswasserbauwerken. Alleinstellungsmerk­mal ist die weitgehende Automatisierung des Mess-, Auswerte- und Prüfvorgangs für über und unter Wasser gelegene Strukturen. Im Ergebnis kann die Erfassungsgeschwindigkeit erhöht, der Prüfumfang erweitert und erstmals ein umfassendes digitales Bauwerksmodell für Hafenbau­werke erstellt und fortgeschrieben werden.

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