Siemens: Reverse Engineering Digitalisierung lässt Flugzeug Ju 52 auferstehen

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Mit Hilfe von Reverse Engineering entwickelt die AeroFEM GmbH in Ennetbürgen ein Konzept, um die in den 1920er Jahren konstruierten Flugzeuge Ju 52 («Tante Ju») auf dem aktuellen Stand der Technik und entsprechend derzeitigen Standards der Luftfahrt erneut bauen zu können.

Als dreimotorige Variante Ju 52/3m erwies sich das robuste Flugzeug über viele Jahre als besonders günstig für Fluggesellschaften zum Befördern von Passagieren und Fracht. Anfänglich nutzte vor allem die nationale deutsche Fluggesellschaft Luft Hansa das Flugzeug. Sie verband damit Städte im gesamten Europa. Vorteilhaft war, dass die Ju 52 auch auf unebenen und kurzen Start- und Landebahnen betrieben werden konnte.

Deshalb bewährten sich die robusten Flugzeuge dieser Bauart ausserhalb Europas beim Entwickeln des Flugverkehrs vor allem in unzugänglichen, mit Luftfahrtstruktur nur wenig oder noch nicht erschlossenen Regionen. Beispielsweise in Südamerika erschlossen sie wichtige Flugverbindungen über die Anden. In Afrika dienten sie dazu, Waren und Passagiere an ansonsten abgelegene Orte zu transportieren. Zum universellen Einsatz trug wesentlich die grosse Vielfalt an Varianten der Ju 52 bei. So gab es Konfigurationen zum Transport von Passagieren und Fracht, mit medizinischer Ausrüstung sowie auch mit Schwimmern zum Starten und Landen auf Wasserflächen.

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Bewährte Technik aktualisieren

Obwohl sehr erfolgreich und beliebt, veralteten die verbliebenen Exemplare des Flugzeugs Ju 52. Ihre Ausstattung und ihre Konstruktion entsprach bereits seit vielen Jahren nicht mehr den aktuellen Vorgaben. So kam es im Jahr 2018 zu einem tragischen Unfall in den Alpen. Fortan erhielten die wenigen verbliebenen Flugzeuge nicht mehr die Flugtüchtigkeit und mussten am Boden bleiben. Daraufhin haben Luftfahrtexperten des Schweizer Ingenieurbüros AeroFEM GmbH ein Projekt begonnen, die grundlegende Konstruktion der Flugzeuge Ju 52 aufzunehmen und zu aktualisieren. Beabsichtigt ist, einen Nachbau der Flugzeuge Ju 52 auf dem aktuellen Stand der Technik entsprechend derzeitigen Standards und Normen für Luftfahrt zu verwirklichen. Insbesondere soll die aktuelle Ausführung strenge Forderungen hinsichtlich der Lufttüchtigkeit und in Bezug auf niedrige Abflugmasse erfüllen. Dazu nutzen die Experten in Ennetbürgen Technologien von Siemens Digital Industries Software. Sie arbeiten mit der Software Simcenter und NX, die beide zur Plattform «Xcelerator»-Business von Siemens gehören.

Allerdings erweist sich das Projekt als besonders aufwendig. Wie Danny Wadewitz, Analyseingenieur und Vorstandsmitglied bei AeroFEM sagt, sei das ursprüngliche Flugzeug ohne Hilfe moderner Konstruktionswerkzeuge entwickelt worden und habe sich auf Papier, Bleistifte und Rechenschieber gestützt.

Digitales Reverse Engineering unabdingbar

Da die Industrie bestrebt ist, Legacy-Technologien in moderne Frameworks zu integrieren, spielt Reverse Engineering eine entscheidende Rolle. Nur so ist zu gewährleisten, dass ältere Designs im digitalen Zeitalter relevant und funktionsfähig bleiben. Der Entwicklungsprozess beinhaltet die Dekonstruktion bestehender Produkte, um ihre Komponenten, Strukturen und ihre Funktionalität zu verstehen. Das ermöglicht Ingenieuren, mit aktuellen Technologien bewährte Technik nachzubauen und sogar zu verbessern.

Für AeroFEM ist Reverse Engineering der Schlüssel, um der Junkers Ju 52 neues Leben einzuhauchen.

Digital erfassten die Luftfahrtexperten jedes Detail und jeden Aspekt des Flugzeugs. Daraus erstellten sie ein detailliertes 3D-Modell. Das ursprüngliche Design blieb erhalten und wurde lediglich angepasst, um zeitgemässe Werkstoffe und Technologien zu berücksichtigen. Dieser Ansatz würdigt nicht nur die technischen Errungenschaften der Vergangenheit, sondern schlägt auch eine Brücke zwischen historischen Entwürfen und zeitgenössischen Standards.

Da sich Technologien schnell weiterentwickeln, bietet Reverse Engineering eine Möglichkeit, die Kontinuität zwischen Vergangenheit und Gegenwart aufrechtzuerhalten. Es ermöglicht Ingenieuren, erfolgreiche Designs zu untersuchen und zu replizieren und so zu gewährleisten, dass wertvolle Erkenntnisse und Innovationen erhalten bleiben. Das ist besonders wichtig in Branchen wie der Luftfahrt, in denen Ingenieure häufig zeitgemässe Technologie in bestehende Systeme integrieren müssen, um aktuelle Forderungen zur Sicherheit und zu Leistungsdaten erfüllen zu können.

3D-Daten aufnehmen

Mit zwei bestehenden Flugzeugen Ju 52 begannen die Luftfahrtexperten in Ennetbürgen das Reverse Engineering. «Wir mussten im Grunde alles von Grund auf neu machen», sagt dazu Danny Wadewitz und berichtet weiter: «Die Idee, die wir hatten, war, das Flugzeug in 3D zu scannen. Das war mehrfach erforderlich. Einmal haben wir von aussen, einmal von innen und zusätzlich in unterschiedlichen Phasen der Demontage die Flugzeuge gescannt.»

Der Scanvorgang erzeugt eine riesige Wolke von Punkten, die als Grundlage zum Erstellen detaillierter digitaler Modelle dient. Mit der Software NX von Siemens als fortschrittlichem Reverse-Engineering-Toolkit verwandeln die Experten bei AeroFEM diese Punkte in Oberflächen, in Volumenmodelle und schliesslich in ein komplettes digitales Modell des Flugzeugs.

Besonders fordernd beim Aufnehmen der 3D-Daten waren Verschleiss und Verformungen der Flugzeugstruktur. Die veränderte Flugzeugstruktur ist beim Konstruieren der 3D-Modelle und beim anschliessenden Simulieren des Verhaltens zu berücksichtigen.

«Glücklicherweise verfügt Siemens über fortschrittliche NX-Reverse-Engineering-Tools, die sehr intuitiv und einfach zu bedienen sind. Unsere Ingenieure, die noch nie zuvor Reverse Engineering genutzt haben, konnten innerhalb kurzer Zeit mit der Software produktiv arbeiten. Rasch haben sie den gesamten Prozess weitgehend perfektioniert», erläutert Danny Wadewitz.

Modelle analysieren und optimieren

Nachdem ein digitales Modell installiert worden war, nutzte das Team bei AeroFEM zur aerodynamischen und strukturellen Analyse die Software «Simcenter Star-CCM+» für Computational Fluid Dynamics (CFD) und die Software «Simcenter Femap» in Verbindung mit der Software «Simcenter Nastran» zur Finite-Elemente-Analyse (FEA). Das ermöglichte umfassende Simulationen, um die Leistung und strukturelle Integrität des Flugzeugs unter unterschiedlichen Bedingungen zu verstehen.

«Mit der Software Simcenter Star-CCM+ haben wir die Geometrie, die wir durch Reverse Engineering erhalten haben, in eine CFD-Analyse einfliessen lassen», erklärt Danny Wadewitz und führt weiter aus: «Wir haben dann die Ergebnisse der CFD-Analyse verwendet, um die Randbedingungen zur FEA-Analyse in der Software Simcenter Femap bereitzustellen. Dadurch erhielten wir die internen Lasten an jedem Strukturelement des Flugzeugs.»

Diese Analyse offenbarte die bemerkenswerte Technik der ursprünglichen historischen Konstruktion des Flugzeugs Ju 52. Dazu sagt Danny Wadewitz: «Eine der Überraschungen war, dass es wenig Spielraum für Optimierungen gibt. Ingenieure wussten damals, was sie taten, so dass es auf der strukturellen Seite derzeit nicht viel Spielraum für Gewichtseinsparungen gibt.»

Da die Experten bei AeroFEM die Abflugmasse (MTOW, Maximum Take-off Weight) nicht von 10,5 auf 8,6 Tonnen senken können, um aktuellen Zertifizierungsstandards strukturell zu entsprechen, reduzieren sie die Menge an Treibstoff und die Anzahl Passagiere. Dabei vermindern sie die Reichweite des aktuellen Flugzeugs Ju 52 nur minimal. Zeitgemässe Triebwerke benötigen allgemein weniger Treibstoff als die historisch ursprünglich eingebauten Motoren.

Aktuelle, zertifizierte Werkstoffe nutzen

Ein kritischer Aspekt des Projekts war die Auswahl der Werkstoffe für den Nachbau des Flugzeugs. Ursprünglich bestanden die Ju 52 aus einer Kupfer-Aluminium-Legierung. Diese ist inzwischen nicht mehr verfügbar. Zudem sind bei derzeit gebauten Flugzeugen nur aktuell für die Luftfahrt zertifizierte Werkstoffe erlaubt. «Man muss Werkstoffe nutzen, die jetzt kommerziell erhältlich sind. Wir mussten zudem einen Werkstoff wählen, der in Bezug auf Festigkeit und Haltbarkeit ausreicht und den ehemaligen Werkstoffen vergleichbar ist», berichtet Danny Wadewitz. Das Team in Ennetbürgen entschied sich für zeitgemässe Aluminiumlegierungen, die den Eigenschaften der ursprünglichen Werkstoffe sehr nahe kommen und so gewährleisten, dass das Flugzeug seine historische Integrität bewahrt und doch den heutigen Standards entspricht.

Know-how erkennen

Das gesamte Projekt – eine flugfähige aktuelle Variante des Flugzeugs Ju 52 zu bauen, eine Zulassung zu erhalten und zu fliegen – konnte wegen mangelnder finanzieller Unterstützung letztlich nicht verwirklicht werden. Dennoch zeigt es den Erfolg zeitgemässer digitaler Technologien. Die Luftfahrtexperten bei AeroFEM demonstrierten erfolgreich die Fähigkeit, aktuelle digitale Werkzeuge auf historische Entwürfe anzuwenden. Sie konnten ebenso zeigen, dass Ingenieurskunst der Vergangenheit neben fortschrittlichen Technologien bestehen kann.

Zum vorzeitigen Ende des Projekts sagt Danny Wadewitz: «Mit den Behörden, in unserem Fall der EASA, konnten wir leider keine Musterzulassung verwirklichen. Wäre aber die Finanzierung nicht ausgelaufen, hätten wir das nachgebaute Flugzeug letztendlich zum Fliegen gebracht.» Trotz dieses Rückschlags liefert die Arbeit von AeroFEM unschätzbare Einblicke in die strukturelle Integrität und das Potenzial für Verbesserungen der Flugzeuge Ju 52. Das digitale Modell, das während des Projekts erstellt wurde, dient als historische Aufzeichnung und bewahrt das Erbe der Flugzeuge für zukünftige Generationen.

(kmu)

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