Dabei haben sich optische Messgeräte, wie das System ATOS, die eine flächenhafte Digitalisierung des Bauteils ermöglichen, als weitaus flexibler gegenüber punktuell messenden Verfahren erwiesen. Während punktuell messende Verfahren in der Regel nur Einzelpunkte oder entlang von Schnitten Ergebnisse liefern, ermöglichen optische Systeme die Erfassung der vollständigen Geometrie. Diese Eigenschaft kommt den Anforderungen neu eingeführter Herstellungs- und Wiederaufbereitungsverfahren von Turbinenschaufeln und neuer Qualitätsstandards besonders entgegen. Die vollständige und schnelle Vermessung der Bauteile lässt damit eine wesentliche Optimierung der Zeiten für Produkt- und Produktionsentwicklung, Produktionsanlauf und -überwachung zu. Der gesamte Prozess von der Entwicklung bis zur Produktion kann zeiteffektiv begleitet werden und bleibt transparent.

Die Reparatur oder Reproduktion von älteren oder herstellerfremden Turbinen und Schaufeln stellt die Ingenieure vor Schwierigkeiten, die mit fehlenden Zeichnungen oder CAD-Daten zusammenhängen. Die vollständige Vermessung der Teile mit Koordinatenmessmaschinen ist dabei besonders zeitintensiv.

Mit dem optischen Digitalisiersystem ATOS hingegen werden Teile jeglicher Größe und Komplexität schnell, präzise und vollständig digitalisiert, siehe Abbildung 1.

Die Ergebnisse liegen zeitnah in einem Dreiecksnetz, dem so genannten STL-Netz, vor. Dieses weist eine sehr feine Auflösung in allen Bereichen großer Krümmungen auf, so dass feine Merkmale wie die Vorderkante (leading edge) und die Hinterkante (trailing edge) exakt wiedergegeben werden, siehe Abbildung 2.

Die STL-Daten können darüber hinaus zu Festigkeits- sowie Strömungssimulationen verwendet werden. Den besonderen Vorteil stellt dabei die Tatsache, dass nun die Simulationen mit Daten realer und nicht theoretischer bzw. konstruierter Teile stattfinden.
Neben den Turbinenkomponenten werden auch größere oder komplette Gruppen von zusammengebauten Turbinen mit der Kombination von ATOS und TRITOP digitalisiert. Dabei liefert das photogrammetrische System TRITOP die Lage der Komponenten im zusammengebauten Zustand und mit ATOS werden diese bis zu 100% digitalisiert - wenn erforderlich auch im ausgebauten Zustand. Die Daten entsprechen einem Digital Mock Up, siehe Abbildung 4.

Analyse in Produktionsentwicklung und -anlauf

Die zeitliche Optimierung von Produktionsentwicklung und -anlauf ist ein entscheidender Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit. Dabei besteht der Bedarf der geometrischen Vermessung des Produktes in nahezu jedem Produktionsschritt und in jeder Iterationsstufe. Die Messdaten werden mit Soll-Geometrien (aus CAD-Daten oder Masterteilen) verglichen.

Die sonst übliche Vorgehensweise der Vermessung von Bauteilen auf Koordinatenmessmaschinen erfordert in der Regel die Erstellung eines Messplans, d.h. eine frühe Festlegung der Merkmale (Messstellen), an denen die Analyse durchgeführt werden soll. Eine große Menge von Messstellen bringt allerdings einen größeren Zeitaufwand mit sich.

Die Möglichkeit der schnellen und vollständigen Vermessung der Bauteile mit ATOS dagegen erübrigt die Festlegung von Messstellen vor der eigentlichen Messung. In einer farbigen Darstellung der Abweichungen über die gesamte Bauteilgeometrie ist eine einfache, bauteilumfassende und auch für Außenstehende verständliche Visualisierung möglich, siehe Abbildung 5.

Verschiedene Möglichkeiten zum Einschwenken der gemessenen Daten in die Soll-Geometrie stehen zur Verfügung. Best-Fit-Algorithmen, angewendet auf bestimmte Bereiche der Bauteile, erlauben die Untersuchung von lokalen Geometrieabweichungen, machen aber auch die Verdrehung oder Verformung von Teilbereichen gegeneinander sichtbar.

Wird die Ausrichtung auf den aerodynamischen Bereich der Turbinenschaufel angewendet, so können konkret die Abweichungen in diesen Bereichen untersucht werden. Wendet man dagegen den Best-Fit im Bereich des Fußes der Turbinenschaufel an, so kann man die Verdrehung des aerodynamischen Bereichs gegenüber dem Fuß feststellen.

Andere Einschwenk- bzw. Koordinatentransformationsvorschriften wie z. B. die 3-2-1-Regel oder eine Ausrichtung über Referenzen (RPS) wie z.B. Flächen, Bohrungen, Kegel, Zylinder u.v.a., erlauben vielfältige individuelle Lösungen.

Mit TRITOP eingemessene Aufnahmen für die Bauteile bzw. Turbinenschaufeln, die eine reproduzierbare Positionierung dieser Teile gewährleisten, machen eine Koordinatentransformation nach der Messung überflüssig. Das ATOS-System misst über die Referenzmarken der Aufnahme sofort in dem definierten Koordinatensystem.

Zu Analysezwecken können Bauteile vollständig oder partiell in jedem Produktionsschritt mit ATOS vermessen werden u.a. zur:

• Rohlingserfassung. Dabei wird gewährleistet, dass die anschließende Bearbeitung durchgeführt werden kann. Auch eine Berücksichtigung der Rohlingsgeometrie in der Erstellung der Bearbeitungsprogramme (z.B. Fräsbahnen) kann erfolgen. Dadurch wird die Bearbeitungszeit verkürzt.
• Genauen Überprüfung der Maßhaltigkeit nach zerspanenden Bearbeitungsschritten.
• Überprüfung der Maßhaltigkeit bzw. des Verzugs nach erfolgten Wärmebehandlungen.
• Vermessung und Beurteilung von Dellen und Beulen auf dem aerodynamischen Bereich.
• Überprüfung von Schichtdicken beim Auftrag von Schutz- und Isolationsschichten. Der Vergleich von Messungen vor und nach der Beschichtung eingeschwenkt über den Fuß der Turbinenschaufel, ergibt die Dicke der Schicht.
• Überprüfung der Montage von Bauteilen, wie z.B. der Montage von einzelnen Turbinenschaufeln zu einer Blisk.

• die Geometrie der Schaufeln vor und nach dem Auftragsschweißen zu dokumentieren
• nach der Bearbeitung die Maßhaltigkeit zu überprüfen.

Zunehmende Anforderungen an Qualität in der Produktion durch eine größere Anzahl von Messstellen, flexiblere Messlösungen bei Produktvielfalt sowie genauere Messmittel bringen punktuell messende Verfahren an ihre Grenzen. Optische, flächenhaft messende Verfahren dagegen bieten ein hohes Maß an Flexibilität und eine sehr hohe Dichte an Messstellen.

Zur Messung größerer Stückzahlen von Bauteilen eignet sich eine automatisierte Lösung unterstützt durch einen Roboter, optional in Kombination mit einem Rotationstisch, siehe Abbildung 6. Der gesamte Messvorgang inklusive der Steuerung der Handhabungssysteme und die Auswertung bis hin zu einer Ja/nein-Aussage oder einem Report lassen sich in ATOS über die umfangreichen Möglichkeiten der Makroprogrammierung erarbeiten.
So kann z.B. die Vermessung der aerodynamischen Kontur einer Turbinenschaufel in weniger als 30 Sekunden erfolgen.

Zusammenfassung

Die optische Digitalisierung von Turbinenschaufeln und anderen Turbinen-Komponenten eröffnet neue Möglichkeiten in der Produkt- und Produktionsentwicklung sowie der Qualitätskontrolle in der Produktion.

Insbesondere Merkmale wie:

• Zeitersparnis in der Vermessung
• Vollständige Vermessung
• Unterstützung neuer Herstellungsverfahren