Control 2015: Flugzeugturbinen zuverlässig prüfen

Turbinen in Flugzeugtriebwerken dürfen nicht die geringsten Fehler aufweisen. Um Defekte an den blade integrated disks, kurz Blisks, zu entdecken, sind Prüfer bislang auf ihr geschultes Auge angewiesen. Künftig unterstützt sie ein automatisches Kontrollsystem: Es vereint erstmals die geometrische Vermessung und die Oberflächeninspektion. Auf der Messe Control vom 5. bis 8. Mai in Stuttgart stellen die Forscher ihre Lösung vor (Halle 1, Stand 1502).

Damit Flugzeuge auch nach Jahren noch höchsten Sicherheitsansprüchen genügen, müssen die Turbinen in den Triebwerken hochpräzise gefertigt sein und dürfen nicht die geringsten Fehler aufweisen. Prüfer nehmen daher jede einzelne Blisk – also die Turbinenscheiben mitsamt 30 bis 60 Schaufeln – sechs bis acht Stunden lang genau unter die Lupe, bevor sie in einen Flieger eingebaut wird. Dabei sind sie auf ihr geschultes Auge angewiesen.

Geometrie erfassen und Oberflächen analysieren

Künftig bekommen die Prüfer technische Unterstützung: Durch das AMI4BLISK-System (Automated Geometrical Measurement and Visual Inspection for Blisks): Es vermisst die Geometrie der Blisk und untersucht sie zudem automatisiert auf Fehler. Entwickelt haben das System Forscher am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern – in enger Zusammenarbeit mit ihren Kollegen der Hexagon Metrology GmbH und der Hexagon Technology Center GmbH. AMI4BLISK ist als EU-Projekt Teil der Initiative Clean Sky. »Mit unserem System können die Prüfer die Blisks etwa doppelt so schnell untersuchen wie bisher – und zwar bei gleicher Genauigkeit«, sagt Markus Rauhut, Abteilungsleiter am ITWM. »Zudem haben wir immer gleiche Erkennungsraten: Denn das System kennt keine Müdigkeit und auch Nachtschichten machen ihm nicht zu schaffen.«

Die geometrische Vermessung übernimmt eine Koordinatenmessmaschine: Dazu berührt ein Ausleger mit einem Taster einige hundert Stellen auf der Blisk. Künftig kontrolliert die Anlage auch die Qualität der Oberfläche: Statt des Tasters ist der Ausleger der Maschine dazu mit zwei Kameras und einer Lampe bestückt. Sie spüren Kratzer, Dellen und Druckstellen auf, die entsprechende Software fasst die Art sowie die exakte Position der Fehler in einer Liste zusammen. Diese Daten wiederum nutzt ein optischer Sensor der Firma Hexagon, um die einzelnen Defekte genauer zu vermessen. Zwar kann er nur kleine Flächen von einem Quadratmillimeter inspizieren, dafür misst er präziser als die Kamera.

Objektiver Prüfbericht

Im Anschluss an diese Untersuchungen ist der Einsatz des menschlichen Prüfers gefragt: Ein Bericht, kombiniert mit einer 3D-Darstellung der Blisk, verrät ihm, wo das System welche Fehler erkannt hat – so kann er die Blisk entsprechend überprüfen. Farbmarkierungen zeigen an, welche Bereiche der Turbine das automatische System analysiert hat: Konnte die Kamera einige Stellen nicht erkennen, etwa innerhalb einer Bohrung, sind diese Bereiche in der Computerdarstellung rot eingefärbt. »Das System liefert somit nicht nur einen objektiven Prüfbericht, sondern weist auch nach, dass die komplette Blisk untersucht wurde«, erläutert Rauhut.

Eine der Herausforderungen für das Kamerasystem: Wie weit sind die jeweils aufgenommenen Teile der Blisk von der Kamera entfernt? Denn nur mit dieser Information kann die Software errechnen, wie tief oder lang Kratzer oder Dellen sind – schließlich sehen Bereiche, die weiter weg sind, kleiner aus. Die Lösung liegt in den CAD-Daten, die von jeder Blisk vorhanden sind und ihre exakte Geometrie vorgeben. Die Software dreht diese virtuelle CAD-Turbine so, dass ihre Position im Raum der realen entspricht und  ermittelt für jeden einzelnen Pixel die Entfernung von Kamera zur jeweiligen Stelle der Blisk. So liefert das Tool dem optischen Sensor nicht nur die Information, wo genau sich der Defekt befindet, sondern auch wie lang und breit ein Kratzer ist.
 
Das Kernsystem ist bereits fertig. Auf der Messe Control vom 5. bis 8. Mai in Stuttgart stellen die Forscher es auf dem von der Fraunhofer-Allianz Vision koordinierten Fraunhofer-Gemeinschaftsstand vor. Dort dreht sich in diesem Jahr alles um Industrie 4.0 (Halle 1, Stand 1502). In einem weiteren Schritt werden die Wissenschaftler das System zu einem fertigen Produkt entwickeln: 2016 soll es einsatzbereit sein.

 

Prototypische Inspektion der Oberfläche einer BLISK (Bladed Integrated Disk) mit zwei Kameras und einer Beleuchtung.
© Fraunhofer ITWM

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