Yachten sind nicht nur Luxusgut, sondern auch Wirtschaftsfaktor. Der Standort Deutschland ist führend beim Bau von Mega-Yachten, also Yachten über 60 Meter Länge. Von den zehn größten Motoryachten der Welt wurden sieben von deutschen Werften gebaut, darunter auch die größte Yacht „Azzam“ mit einer Länge von 180 Metern.
Um den Standort Deutschland weiter zu stärken und die Produktion zu verbessern, fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) das Projekt „FINISH“. An dem Projekt beteiligen sich neben der Lürssen Werft – als Anwender und Koordinator – auch das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), das Geodätische Institut (GIH) der Leibniz Universität Hannover, die Firma Dr. Hesse und Partner Ingenieure (dhp:i) sowie die Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik (IGP).
Das Ziel: Eine perfekte Oberfläche
Wie lässt sich in möglichst kurzer Zeit und mit möglichst wenig Spachtelmasse eine perfekte, spiegelglatte Oberfläche erzielen? Diese Frage steht im Mittelpunkt des Forschungsprojekts. Denn die Beschichtung von Mega-Yachten ist äußerst aufwendig und wird meist von Hand erledigt. Nachdem die Metallplatten der Schiffswände und des Rumpfes verschweißt wurden, beschichten Fachkräfte die Metalloberflächen zunächst mit Spachtel. Dadurch gleichen sie Verzug und Unebenheiten aus, bevor die Yacht lackiert wird. Dieser Prozess wird teilweise bis zu zehn Mal wiederholt.
Im Vorgängerprojekt OFIN haben die Forscher bereits ein Verfahren entwickelt, um eine Spachtellandkarte zu erzeugen. Diese zeigt an, wie viel Spachtel an welcher Stelle der Yacht aufgebracht werden muss. Das entwickelte Verfahren ist jedoch ungenau und zeitintensiv, weshalb die Spachtelhöhen oft nicht rechtzeitig zur Verfügung stehen. Zusätzlich werden die Ergebnisse immer noch stark manuell erzeugt und bieten daher keine ausreichende Reproduzierbarkeit.
Die Teilnehmer des Forschungsprojektes verbessern nun das Verfahren mit dem Ziel, die hohen Aufwände zu reduzieren. Dazu wird die Yacht vor dem Spachtelauftrag zunächst vermessen. Das GIH und dhp:i verwenden dafür ein sogenanntes kinematisches Laserscanning-System. Dabei entstehen keine Einzelaufnahmen mehr – stattdessen bestimmt ein Tracker kontinuierlich die Position und Lage des Scanners, während dieser hochfrequent Aufnahmen macht. Das System referenziert die Aufnahmen automatisch und fügt sie zu einer Gesamtpunktewolke zusammen.
Die Punktewolke enthält jedoch nicht nur die Metalloberflächen der Yacht, sondern auch Kabel, Planen oder Gerüste. Um diese Störquellen zu entfernen, forscht das Fraunhofer IGP an einem Verfahren, das die Daten möglichst automatisiert bereinigt und für die Weiterverarbeitung verwendbar macht.
In Kooperation mit dem IGP nutzt das IFW die aufbereiteten Daten, um den Spachtelauftrag zu minimieren und gleichzeitig die Ästhetik der Yacht zu erhalten.
Die Definition von Ästhetik
Doch was macht eine ästhetische Fläche im Yachtbau überhaupt aus – und wie lässt sich Schönheit objektiv beschreiben? Um das herauszufinden, untersucht das IFW zum einen verschiedene fertig gespachtelte und für akzeptabel befundene Flächen. Zum anderen werden Erfahrungen von Mitarbeitern der Lürssen Werft gesammelt.
Die Forscher überführen die ermittelten Kriterien anschließend in mathematische Beschreibungen. So wird aus der subjektiven Einschätzung, was ästhetisch ist, eine objektive Festlegung.
Ein anschauliches Beispiel ist die Krümmungsstetigkeit: Auf der Oberfläche der Yacht dürfen keine verzerrten Spiegelungen zu sehen sein. Bild 2 zeigt eine Streifenlichtprojektion, in der diese unerwünschten Reflektionen durch Knicke dargestellt sind. Die Fläche links zeigt eine akzeptable Oberfläche: Die Streifen sind zwar gekrümmt, wechseln jedoch nicht abrupt die Richtung. Anders ist es bei der Fäche rechts daneben: Hier weisen die Streifen Knicke auf, was auf der Oberfläche einer Yacht in aller Regel unerwünscht ist – abgesehen von bestimmten Designelementen.
Automatische Erstellung eines optimierten Soll-Modells
Die mathematisch beschriebenen Ästhetik-Kriterien dienen dem IFW als Grundlage für zwei Prozesse. Zum einen wollen die Forscher den Spachtelauftrag optimieren – also mit möglichst wenig Spachtel eine Beschichtung schaffen, die sämtliche Ästhetik-Kriterien erfüllt und die Designvorgaben des Konstrukteurs beibehält. Dafür entwickeln die Forscher ein Verfahren, das aus dem gescannten Modell und den Konstruktionsdaten der Yacht automatisch ein optimiertes Sollmodell erstellt. Die Differenz aus Ist- und Sollmodell ergibt eine Art Landkarte, die der Fachkraft zeigt, wie viel Spachtel an welcher Stelle aufgetragen werden muss.
Zum anderen entwickeln die Forscher einen Prozess, um die Beschichtung nach dem Verspachten objektiv zu bewerten und somit Fehler zu verringern. Dazu werden die Oberflächen ein zweites Mal vermessen und automatisiert auf problematische Stellen hin untersucht.
Mit den Forschungsergebnissen lassen sich die Oberflächen von Mega-Yachten künftig besser und schneller beschichten. Des Weiteren stellt die automatische Generierung von Modellen unter definierten Restriktionen ein vielversprechendes Forschungsthema dar, das sich auch auf die Fertigung von anderen Großstrukturen übertragen lässt.
