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26.10.2020

Einsatz eines virtuellen Werkstückzwillings

Für die digitalisierte und vernetzte Instandsetzung von Hochdruckturbinenschaufeln

Der Sonderforschungsbereich 871 beschäftigt sich mit der Grundlagenforschung im Bereich der Regeneration von komplexen Investitionsgütern, beispielsweise Windkraftanlagen und Flugtriebwerken.

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Dr.-Ing. Volker Böß, Dr.-Ing. Benjamin Bergmann, M. Sc. Nicolas Nübel

Der Sonderforschungsbereich 871 (SFB 871) erforscht seit elf Jahren die Grundlagen im Bereich der Regeneration von komplexen Investitionsgütern. Solche Güter zeichnen sich durch hohe Anschaffungskosten und eine lange Lebensdauer aus, weshalb eine Regeneration, also ein Erneuern und Reparieren, wirtschaftlich sinnvoll ist. Ein Beispiel dafür ist die Turbinenschaufel eines Flugtriebwerkes. Bei Gastemperaturen von ≈1.400°C, hohe Drehzahlen von ≈14.000/min und Beschädigungen durch Fremdkörper verschleißen die Schaufeln und das Triebwerk verliert an Leistungsfähigkeit. Das hat zur Folge, dass der Treibstoffverbrauch und die Betriebskosten steigen.

Aktuell werden die Schaufeln in einer manuellen Prozesskette von hoch ausgebildeten Fachkräften zuerst befundet und alle Schäden mittels einer Markierung auf der Schaufel erfasst. Für jede Schadensart gibt es dabei zertifizierte Reparaturmaßnahmen mit Grenzwerten - z. B. einer maximalen Schadensgröße - die nicht überschritten werden dürfen. Die Durchführung der Regeneration ist dabei von der Qualifikation und der Geschicklichkeit des durchführenden Mitarbeiters abhängig. Die Weitergabe von Daten zwischen den einzelnen Prozessschritten geschieht überwiegend analog auf Papier.

Ein neuer Ansatz für eine solche Regenerationsprozesskette wird im SFB 871 entwickelt, wobei diese in zwei Ebenen aufgeteilt ist. Eine „virtuelle Ebene“ erweitert die „reale Ebene“, auf der Mess- und Fertigungstechnologie zur Anwendung gebracht wird. In dieser „virtuellen Ebene“ werden die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer, also die Zeit bis zu einem Ausfall durch Materialermüdung, prognostizieren. Mit diesem Wissen über den Zustand der Schaufeln können Entscheidungen über die Regenerationsstrategie objektiv und wiederholbar getroffen werden. Nach der Befundung stehen dadurch unterschiedliche Varianten der Reparatur, sogenannte Regenerationspfade, zur Verfügung welche die Leistungsfähigkeit sowie Lebensdauer der Schaufel unterschiedlich beeinflussen. Bei der Auswahl des Pfades werden neben den technischen auch wirtschaftliche Kriterien berücksichtigt.

Die neue Regenerationsprozesskette – vollständig automatisiert

Da die neue Regenerationsprozesskette vollständig automatisiert abläuft und neben klassischen Mess- und Fertigungsverfahren auch inline Simulationen beinhaltet, ist ein prozessübergreifend einheitliches Werkstückkoordinatensystem und ein durchgängiges Datenmanagement von elementarer Bedeutung. Als Schnittstelle zwischen allen Prozessen wird der virtuelle Werkstückzwilling (VWZ) eingesetzt. Dieser speichert alle Daten und Dateien einer individuellen Schaufel.

Bild 1 zeigt die unterschiedlichen Prozesse und Bereiche der Prozesskette. Zuerst wird mittels Mess- und Prüftechnik in der Zustandserfassung die Geometrie erfasst und Schäden, wie beispielsweise Risse, detektiert. Die einzelnen Prozesse speichern die ermittelten Daten in den Zwilling. Nach der Zustandserfassung folgt die Bewertung in der virtuellen Ebene. Hierbei werden zunächst aus den geometrischen Daten der Schaufel für die Bewertung relevante Parameter wie die Schaufelhöhe, dem Vorderkantenradius, aber auch die Sehnenlänge und die Dickenverteilung bestimmt. Auf Basis von Simulationen und daraus abgeleiteten Datensätzen wird in der Prozesskette aus den schaufelindividuellen Parametern die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit berechnet. Weiterhin verfügt die Prozesskette über eine Datenbank der unterschiedlichen Pfade. In dieser sind die Reparaturgrenzen, also welche Schäden mit dem Pfad noch reparabel sind, sowie die aus der Bearbeitung resultierenden Rauheiten, Geometrieveränderungen und Kosten abgelegt. Für die Auswahl der Pfade werden beide Datenbanken genutzt, um die Leistungsfähigkeit, die Lebensdauer und die Kosten für jeden Pfad zu prognostizieren. Weitere Bewertungsaspekte bilden die aktuelle Auslastung der Maschinenressourcen und Kundenvorgaben. Durch die Durchführung einer Arbeitsplanung kann der Pfad ausgewählt werden, der die Kundenanforderungen erfüllt und die Prozesskette optimal auslastet.

Bestandteile und Ebenen der Prozesskette © IFW

Schaufelindividuelle Prozessplanung und Bearbeitung

In der nächsten Regenerationsphase, der mechanischen Bearbeitung, wird in der realen und virtuellen Ebene die schaufelindividuelle Prozessplanung und Bearbeitung durchgeführt. Die notwendigen Werkzeugwege zur additiven und spanenden Bearbeitung der Turbinenschaufel werden in der virtuellen Ebene automatisiert geplant, auf die Steuerung der Werkzeugmaschinen übertragen und dort abgearbeitet. Nach der Bearbeitung erfolgt die Qualitätssicherung, in der die Prozesse der Zustandserfassung und Bewertung erneut durchgeführt werden und so die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer nach der Regeneration berechnet wird. Über einen Qualitätsregelkreis wird zusätzlich die Datenbank zur Prognose der Pfade aktualisiert. Entspricht der Zustand der Schaufel den Anforderungen des Kunden, wird diese aus der Prozesskette ausgeschleust.

Zur Visualisierung der Daten und zur Interaktion zwischen Prozesskette und Mensch verfügt der virtuelle Werkstückzwilling über einen Viewer. Dieser ist in Bild 2 dargestellt. Auf der linken Seite können mittels zweier unterschiedlicher Knoten eine Struktur zur besseren Übersichtlichkeit aufgebaut und Daten sowie Dateien abgelegt werden. Bei den Knoten wird zwischen einem Datenknoten und einem Dateiknoten unterschieden. Beide erlauben durch das Erzeugen von Kindelementen den Aufbau der Struktur. Zusätzlich ermöglicht der Datenknoten das Abspeichern von einfachen Daten über die Metadaten, welche aus einer Beschreibung und einem Wert bestehen. Beispiele hierfür sind die Werkzeugnummer bzw. Bezeichnung, Werkzeuglänge, das für die Bearbeitung verwendete Koordinatensystem sowie der Zeitpunkt der letzten Knotenveränderung. Sollte die Anzahl der Daten einen Punkt überschreiten, an dem die Übersichtlichkeit durch das abspeichern als Metadaten nicht mehr gewährleistet ist, müssen die Daten in Dateien zusammengefasst werden. Der Dateiknoten erlaubt das Abspeichern sämtlicher Dateitypen und verfügt ebenfalls über Metadaten.

Struktureller Aufbau des Zwillings

Der strukturelle Aufbau des Zwillings ist zur besseren Übersichtlichkeit auf Basis der Reihenfolge der Prozesse gebildet, da dies für menschliche Betrachter am übersichtlichsten ist. Zusätzlich gibt es drei weitere Knoten. Unter den Informationen sind alle Daten zusammengefasst, die vor Beginn der Prozesskette über die Schaufel bekannt sind, beispielsweise die Triebwerksnummer oder der Kundenname. Unter „Aktuelle Messwerte“ werde die Messwerte aus der realen Ebene abgespeichert und unter „Aktueller G-Code“ sind die Bearbeitungsprogramme aus der virtuellen Ebene für die Werkzeugmaschinen abgelegt.
Es lassen sich mit den Knoten folglich beliebig komplexe Strukturen aufbauen, die jedoch durch die hierarchische aufbauweise nicht an Übersichtlichkeit verlieren. Für die Gewährleistung der Datenkonsistenz muss lediglich darauf geachtet werden, dass sich hierarchisch unter einem Knoten keine zwei Knoten mit demselben Namen befinden. Der flexible Aufbau ermöglicht weiterhin eine Übertragbarkeit auf weitere Regenerationsgüter.

Nutzeransicht des VWZ © IFW

Sollten Sie Interesse an dem Datenmanagement oder der Prozesskette haben, bekommen sie weitere Informationen unter https://www.sfb871.uni-hannover.de/ . Auch können sie die Prozesskette in Hannover vor Ort besichtigen. Schreiben sie dazu eine E-Mail an Nuebel@ifw.uni-hannover.de.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – SFB871/3 119193472

Unternehmensinformation

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW Leibniz Universität Hannover

An der Universität 2
DE 30823 Garbsen
Tel.: 0511 762-2553

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