Prüfung von Turbinenschaufeln auf Basis topometrischen Scannens

Die computergestützte Qualitätskontrolle (CAQ) in Verbindung mit optischer Messtechnik und einer professionellen Inspektionssoftware ist ein effizientes und ökonomisches Verfahren, 3D-Ist-Daten physikalischer Objekte mit Soll-Daten ihrer CAD-Modelle zu vergleichen. Formänderungen, bedingt beispielsweise durch Materialeigenschaften, Verzug, Abnutzung oder Alterung, können schnell und übersichtlich identifiziert werden und dem Anwender unmittelbar Informationen über erforderliche Anpassungsmaßnahmen für eine spezifikationsgetreue Fertigung liefern.

Im Vergleich zu herkömmlichen, „klassischen“ Verfahren (Koordinatenmessmaschinen) erfolgt die Vermessung ganzheitlich, das heißt die Prüfung des Bauteils in seiner Gesamtheit statt in Ausschnitten. Darüber hinaus reduziert der Einsatz von CAQ die Inspektionszeiten erheblich und erlaubt schnelle Erstmusterprüfungen.

CAQ kann Fehler in frühem Stadium der Produktion identifizieren

Damit sind bedeutend umfassendere und aussagekräftigere Ergebnisse erzielbar, etwa das Lokalisieren, Visualisieren und Quantifizieren von Abweichungen in Relation zu vorgegebenen Toleranzen. Angewendet wird die Bestimmung der Maßhaltigkeit von Bauteilen in der Erstmuster-, Wareneingangs- oder Stichprobenprüfung in der Fertigung.

Eine weitere wichtige Applikation ist das Überprüfen auf Formänderungen, wie sie durch Materialeigenschaften bedingt sein können (Abnutzung, Alterung oder Korrosion), und deren Dokumentation. Insgesamt wird durch CAQ die Effizienz durch Fehleridentifikation in einem frühen Produktionsstadium und damit die Möglichkeit von Korrekturmaßnahmen deutlich erhöht.

Triebwerkshersteller muss auf Qualität setzen

Im vorliegenden Fall hat der Kunde – weltweit einer der größten Hersteller von Strahltriebwerken für die militärische und zivile Luftfahrt – die (Mess-)Aufgabe gestellt, Kompressorschaufeln der Triebwerke verschiedener Flugzeugtypen zu inspizieren. Diese haben die Abmessungen 175 mm × 43 mm × 32 mm und sind aus (reflektierendem) Titan hergestellt. Die Oberflächenbeschaffenheit ist glänzend, beinahe spiegelnd.

Es müssen ermittelt werden:

-die Schnittlinien,

-die Schaufeldicke,

-die Eintritts- sowie Austrittskante,

-der Schaufeldrall und

-die Orientierung des Schaufelfußes.

Die geforderte Genauigkeit liegt bei 13 µm, die Durchlaufzeit darf 6 min nicht überschreiten.

Für diese Aufgabe wurde ein Breuckmann-Stereo-Scan-3D-HE-System in Kombination mit einer Dreh-/Schwenkeinheit gewählt. Der eigens für diese Aufgabe entwickelte Streifenprojektor ermöglicht es, die Projektion an die Objektgeometrie anzupassen, um störende Einflüsse reflektierender Teilbereiche der Turbinenschaufel zu unterbinden. Ein Ausrichtartefakt stellt sicher, dass die Größe des Fehlers die geforderte Grenze von 13 µm auch dann unterschreitet, wenn sich die Scans nicht überschneiden.

Aufnahmemodi garantieren hohen Dynamikumfang im Bild

Besonderer Wert wird auf Aufnahmemodi verwandt, die einen hohen Dynamikumfang in der Bildaufnahme garantieren. Dieses System mit strukturierter Beleuchtung und einer Kombination aus Gray-Code- und Phasenshiftprojektion ist durch folgende technische Spezifikationen gekennzeichnet:

-Messfeld: 175 mm (anpassungsfähig auf andere Teilegrößen),

-Genauigkeit: ±10 μm,

-Kameraauflösung: 2 × 4 Megapixel,

-Lichtquelle: LED-Beleuchtung, 10 000 h Lebensdauer,

-Arbeitsabstand: 500 mm,

-Gewicht: 6 kg,

-Aufnahmezeit: unter 1 s pro Scan,

-Zertifizierung: VDI/VDE Richtlinie 2634,

-Dreh-Schwenkeinheit: Zuladung 15 kg; Drehwinkel 360°, Schwenkwinkel ±60°.

Dreh-/Schwenkeinheit nimmt die Schaufelgeometrie automatisch auf

Die Projektbearbeitung erfolgt in zwei Arbeitsschritten: Mit dem Stereo-Scan-3D-HE und der Breuckmann-eigenen Software Optocat wird mithilfe einer eigens angefertigten Dreh-/Schwenkeinheit die 3D-Geometrie der Kompressorschaufel automatisch aufgenommen; mit ihrer Hilfe ist es möglich, die optimalen Scanpositionen anzufahren, um die Anzahl von Einzelaufnahmen so gering wie möglich zu halten.

Phase 1 dient der dreidimensionalen Datenerfassung, die in folgenden sukzessiven Schritten ausgeführt wird:

-Fixieren der Schaufel auf dem Drehtisch,

-digitales, räumliches Vermessen des Objektes,

-Berechnen der Objektgeometrie mit anschließendem Visualisieren,

-Übergabe der 3D-Daten an eine spezielle Inspektionssoftware (zum Beispiel Rapidform XOV/Verifier, Geomagic Studio oder Poly-Works).

In Phase 2 wird in folgenden Schritten die automatisierte Qualitätskontrolle durchgeführt:

-Importieren der CAD-Referenz,

-Bestimmung der Prüfkriterien,

-Laden der Scandaten,

-automatisierter Inspektionsablauf mit Reporting (Messprotokolle, Archivierung),

Die Visualisierung der Qualitätsprüfung lässt sich beliebig gestalten: zwei- oder dreidimensionale Pseudofarbdarstellung, Tabellen mit Nominalwerten oder Toleranzen. Eine ganz neue und besonders hilfreiche Form der Darstellung ist die Rückprojektion der Falschfarben auf das Messobjekt.

Interpretation der Messergebnisse fließt umgehend in den Produktionsprozess und steigert die Effizienz

Damit ist die Möglichkeit gegeben, die komplexen Scandatensätze mit den CAD-Daten zu vergleichen und auf deren Basis aussagekräftige Erstmusterprüfberichte oder Produktionsprüfkontrollen zu erstellen. Durch die Nutzung modernster 3D-Inspektionstechnik unter Verwendung eines topometrischen Mess-Systems, gekoppelt mit einer Dreh-/Schwenkeinheit sowie einer leistungsstarken Inspektionssoftware, wird der zeitaufwändige, herkömmliche taktil-mechanische Ansatz der Qualitätsprüfung über die sogenannten „guillotine gages“ ersetzt.

Trotz Bearbeitung erhöhter Datenmengen aufgrund des ganzheitlichen Inspektionsansatzes können damit nicht nur eine deutliche Reduzierung der Inspektionszeit, sondern insbesondere auch erheblich aussagekräftigere und besser vermittelbare Messergebnisse erzielt werden. Die Interpretation dieser Ergebnisse fließt umgehend in den Herstellungsprozess zurück und dient somit unmittelbar dem Optimieren der Produktionseffizienz sowie im Endergebnis der Güte und Qualität der produzierten Kompressorschaufeln.

Dipl.-Ing. (FH) Erik Klaas ist Entwicklungsleiter bei der Breuckmann GmbH in 88709 Meersburg.