Vollautomatische Messung von Luftlöchern in Turbinenschaufeln von Flugzeug-Turbinen

Vollautomatische  Messung von Luftlöchern in Turbinenschaufeln von Flugzeug-Turbinen

Im Rahmen des Projektes wurde ein 3D-Messverfahren zur Messung der Mikrogeometrie von Kühllöchern in Flugzeugturbinenschaufeln entwickelt. Die richtige Gestalt dieser Luftlöcher verhindert ein Schmelzen der Turbinenschaufel während des Betriebs, die dreidimensionale Messung ist daher ein essentieller Schritt im Bereich der Flugsicherheit. Das Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Fokus-Variation und ermöglicht, integriert im InfiniteFocus Messgerät des Unternehmens Alicona, eine vollautomatische Messung dieser komplexen Bauteile, für die es bis dahin keine geeignete optische Messlösung gab.

Das Problem: Messung der Geometrie von Kühllöchern in Turbinenschaufeln.

Turbinenschaufeln in Flugzeugturbinen sind hochkomplexe Bauteile, deren Form und Oberflächengestalt einen enormen Einfluss auf die Funktionalität haben. Im Speziellen sind diese Turbinenschaufeln mit einer Vielzahl von Kühllöchern bzw. Kühlbohrungen ausgestattet, durch die kühlende Luft während des Betriebs ausgestoßen wird. Diese Luft bildet eine dünne, kühlende Isolierschicht zwischen den Verbrennungsgasen und der Turbinenschaufel und verhindert eine Überhitzung des Materials. In der Qualitätskontrolle der Kühllöcher gilt es sicherzustellen, dass Winkel, Größe und Form von bis zu 500 mitunter unterschiedlich geformten Kühllöchern exakt ihrem CAD Datensatz entsprechen.

Das Problem bei der Messung dieser Bohrungen besteht darin, dass traditionelle taktile Messmethoden, die die 3D Geometrie durch mechanische Taster ermitteln, nicht in der Lage sind, die engen Löcher, deren Durchmesser oft deutlich kleiner als 1 mm sind, dreidimensional zu erfassen. Bisherige optische 3D Messmethoden haben zwar in den letzten Jahren an entscheidender Bedeutung gewonnen, sind allerdings nicht in der Lage, die steilen Innenwände der Bohrungen zu messen.

Ein weiteres noch nicht gelöstes Problem war zudem die wirtschaftliche Notwendigkeit, dass eine solche Messung der Mikrogeometrie vollautomatisch ohne jeglichen User-Einfluss ablaufen muss.

Die Lösung: Vollautomatische 3D Messung mit Fokus-Variation.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde unter anderem an einer Weiterentwicklung des Fokus-Variationsverfahrens gearbeitet, um auch sehr steile Bereiche, wie sie bei Kühllöchern auftreten, schnell und robust messen zu können. Das Verfahren der Fokus-Variation ist ein 3D Messverfahren für die Messung von Mikrobauteilen, bei dem ein optisches System mit geringer Schärfentiefe das Messobjekt vertikal scannt. Anschließend wird für jeden Punkt des Messobjektes die Höhe ermittelt, indem der vertikale Bereich detektiert wird, bei dem der Punkt am schärfsten abgebildet worden ist. Dieses Verfahren wird im Messgerät InfiniteFocus von Alicona eingesetzt, das wie in Abb. 1. dargestellt, mit einer automatischen Rotations- und Schwenkeinheit Turbinenschaufeln von beliebigen Richtungen vollautomatisch messen kann. Eine dreidimensionale Messung eines Kühlloches ist in Abb. 2 dargestellt. Dieses weist eine sehr komplexe Geometrie mit sehr steilen Wänden auf und kann trotzdem in sehr hoher Auflösung gemessen werden.

Abb. 1: Messgerät InfiniteFocus des Unternehmens Alicona mit Turbinenschaufel, das in einer automatischen Rotations- und Schwenkeinheit eingespannt ist

Wirkungen und Effekte

Mit der umgesetzten Lösung ist es dem Unternehmen Alicona gelungen, eine wichtige Mess-Lösung im großen Markt der Flugzeugindustrie zu realisieren. Da Alicona auch einige weitere Messlösungen in diesem Marksegment anbietet, wie die Messung der Kantenverrundung an der Hinter- und Vorderseite des Turbinenblattes oder die Messung der Rauheit der Beschichtung, ist es so möglich, der Flugindustrie ein großes Portfolio an Messlösungen mit einem einzigen Messgerät anbieten zu können. Diese Messlösungen zielen in Summe nicht nur auf Stabilität und Lebensdauer, sondern – vor allem im Bereich der hier vorgestellten Kühllöcher-Messung – auf Flugsicherheit ab.

Abb. 2: Dreidimensionaler Datensatz eines Kühlloches einer Turbinenschaufel, der mit einem im Rahmen des Vision+ Projekt entwickelten 3D Messverfahren gemessen worden ist.