LAser Ultrasonic Drone ENabled Testing

In aviation today, reducing CO2 production while maintaining the highest safety standards is the top priority. In modern production, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) are used for many parts of the aircraft (up to 80% by volume!), which have up to five times the tensile strength and rigidity of steel for the same weight. However, due to the special structure of these materials, in which carbon fiber layers are embedded in a plastic matrix, impact and lightning damage, for example, cannot always be detected by visual inspection. The aim of the LAUDENT research project is therefore to develop a non-destructive testing method that can reliably and quickly provide information about relevant damage in the MRO (Maintenance, Repair, Overhaul) area of ​​the hangar (and later even outside), thus making service operations much more flexible than before. Laser ultrasound (LUS) was identified as the most suitable technology for this, as high penetration depth and resolution are important while also covering a large area. LUS is a process in which both the excitation and detection of the ultrasound waves are carried out by laser, which allows for fast and contactless scanning of the test object. This technology is to be combined with a drone for the first time, creating an innovative test system with new capabilities and maximum flexibility. This system will consist of a ground station that is connected via a cable to a LUS measuring head that is coupled to a drone. This wired drone can thus bring the laser radiation generated in the ground station to the required test areas on the aircraft via optical fibers. Furthermore, the continuous power supply means that no battery is required for the drone and interference-free communication via electrical cables is possible. The development challenges are enormous, however. A lightweight measuring head with optical fiber connection, autofocus and gimbal scanner must be developed for an existing laser ultrasound system. Despite all the stabilizing control of the drone, a certain amount of wobbling cannot be avoided, especially during air movements, which requires a complex method of registering the measurement positions actually hit by the laser beams. To develop this LUS system in the laboratory, a drone simulator consisting of a robot is being developed that is trained with the correspondingly realistic movements of a drone and then recreates them.
The aim of LAUDENT is therefore to develop a non-destructive test system for detecting impact and lightning damage, delamination and cracks inside modern CFRP structures, which can be used flexibly and quickly in the service area of ​​an airport thanks to its drone-based, autonomous flight capability. This eliminates the need for scaffolding and climbers in the hangar, which will save about half the downtime and thus enable a significant reduction in costs. To carry out this research project, partners with the highest level of expertise in the necessary areas were brought together. The Research Center for Non Destructive Testing GmbH has many years of expertise in the field of laser ultrasound and optical systems, FACC Operations GmbH is the world's leading supplier of CFRP components for the aerospace industry, FH Joanneum GmbH with the Institute of Aviation and AIRlabs Austria GmbH have high levels of expertise in unmanned aviation systems. Furthermore, Flughafen Wien AG is on board to ensure the safety and operational capability of the planned test system in the airport environment.

[Original text]
"LAser Ultrasonic Drone ENabled Testing"
Im Flugverkehr steht heute eine Verringerung der CO2-Produktion bei gleichzeitigem Aufrechterhalten höchster Sicherheitsansprüche an oberster Stelle. Dafür werden in der modernen Produktion für viele Teile des Flugzeuges (bis zu 80% Volumsanteil!) karbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet, die bei gleichem Gewicht eine bis zu fünfmal höherer Zugfestigkeit und Steifigkeit wie Stahl aufweisen. Durch den speziellen Aufbau dieser Materialien, in dem Karbonfaserlagen in eine Kunststoffmatrix eingelegt sind, können allerdings z.B.  Aufprall- und Blitzschäden nicht immer durch eine visuelle Inspektion erkannt werden. Ziel des Forschungsprojektes LAUDENT ist es deshalb, eine zerstörungsfreie Prüfmethode zu entwickeln, die im MRO (Maintenance, Repair, Overhaul) Bereich des Hangars (und später sogar außerhalb) verlässlich und schnell eine Aussage über relevante Beschädigungen und somit den Serviceeinsatz deutlich flexibler als bisher ermöglicht. Dafür wurde Laser-Ultraschall (LUS) als geeignetste Technologie identifiziert, da hohe Eindringtiefe und Auflösung bei gleichzeitig großflächigem Einsatz wichtig sind. Es handelt sich bei LUS um ein Verfahren, bei dem sowohl die Anregung als auch die Detektion der Ultraschallwellen per Laser erfolgen, was ein schnelles und berührungsloses Abscannen des Prüfobjekts erlaubt. Diese Technologie soll erstmals mit einer Drohne kombiniert werden, wodurch ein innovatives Testsystem mit neuen Fähigkeiten und maximaler Flexibilität entsteht. Dieses System wird aus einer Bodenstation bestehen, die über ein Kabel mit einem LUS-Messkopf verbunden ist, der an eine Drohne gekoppelt ist. Diese kabelgebundene Drohne kann so die in der Bodenstation erzeugte Laserstrahlung über Lichtwellenleiter zu den erforderlichen Testbereichen am Flugzeug bringen, weiters ist durch eine kontinuierliche Energieversorgung kein Akku für die Drohne erforderlich und eine störungsfreie Kommunikation über elektrische Kabel möglich. Die entwicklungstechnischen Herausforderungen sind allerdings enorm. Für ein bestehendes Laser-Ultraschallsystem muss ein leichter Messkopf mit Lichtwellenleiternbindung, Autofokus und Gimbal-Scanner entwickelt werden. Trotz aller stabilisierender Regelung der Drohne ist ein gewisses Taumeln, insbesondere bei Luftbewegungen, nicht zu vermeiden, was eine aufwändige Registrierungsmethode der tatsächlich von den Laserstrahlen getroffenen Messpositionen erfordert. Zur Entwicklung dieses LUS-Systems im Labor wird ein Drohnensimulator bestehend aus einem Roboter entwickelt, der mit entsprechend realistischen Bewegungen einer Drohne trainiert wird und diese dann nachstellt. 
Ziel von LAUDENT ist es also, ein zerstörungsfreies Testsystem zur Detektion von Aufprall- und Blitzschäden, Delamination und Rissen im Inneren von modernen CFK-Strukturen zu entwickeln, das durch seine drohnenbasierte, autonome Flugfähigkeit flexibel und schnell im Servicebereich eines Flughafens einsetzbar ist. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Gerüsten, Kletterern im Hangar, was etwa die Hälfte der Stehzeit ersparen und damit eine deutliche Kostenreduktion ermöglichen wird. Zur Durchführung dieses Forschungsprojektes wurden Partner mit höchster Kompetenz in den notwendigen Bereichen zusammengebracht. Die Research Center for Non Destructive Testing GmbH hat langjährige Expertise im Bereich Laser-Ultraschall und optische Systeme, FACC Operations GmbH ist weltweit führender Anbieter von CFK-Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die FH Joanneum GmbH mit dem Institut für Luftfahrt und die AIRlabs Austria GmbH haben hohe Kompetenzen bei unbemannten Luftfahrtsystemen. Weiters ist die Flughafen Wien AG mit an Bord um die Sicherheit und Einsatzfähigkeit des geplanten Testsystems in Flughafenumgebung sicherzustellen.