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Industrielle Automation 5/2015

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Industrielle Automation 5/2015

Sicher abheben

Sicher abheben Thermografie als wichtiges Analysewerkzeug in der experimentellen Forschung und Qualitätssicherung von Flugzeugturbinen Christiaan Maras, Frank Liebelt Flugzeugturbinen müssen definierte Materialeigenschaften aufweisen, und das auch an den bearbeiteten Oberflächen. Denn kleinste Risse können verheerende Folgen haben. Im Rahmen eines experimentellen Forschungsauftrags wurden daher die fertigungsbedingten thermischen Belastungen von Nickelbasislegierungen – sie werden in Flugzeugturbinen verwendet – untersucht. Und das gelang mithilfe der Thermografie. Die RWTH Aachen wurde 1870 gegründet und betreut heute ca. 38 000 Studierende – davon allein über 10 000 im Bereich Maschinenbau. Die RWTH gehört längst nicht mehr nur national zu den renommiertesten Hochschulen im technischen Bereich und profitiert fast schon selbstverständlich von der Exzellenzinitiative des Bundes. Das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) wurde bereits 1906 gegründet. Heute verfügen WZL und Fraunhofer IPT gemeinsam über ein Budget von über 60 Mio. EUR und Christiaan Maras, Marketing Director, FLIR Commercial Systems BV, Netherlands; Frank Liebelt, Freier Journalist, Frankfurt beschäftigen ca. 830 hochqualifizierte Mitarbeiter (Stand 2014). Mit dem Fraunhofer IPT (Institut für Produktionstechnologie) kooperiert das WZL eng. „Zwei Institute – eine Philosophie: Alle Aspekte der Produktionstechnik“ – so begreifen die beiden Einrichtungen ihre Zusammenarbeit. Auch wenn die Mitarbeiter des WZL ihre Arbeit als (für eine Hochschule) ungewöhnlich anwendungsnah begreifen, steht das WZL in dieser Konstellation für Forsch ung und Lehre, das Fraunhofer IPT für Innovation und industrielle Anwendung. Wichtige Einsatzbereiche sind Flugzeugtriebwerke und Komposit-Bauteile für die Luftfahrt- und Automobilindustrie. Kritische Teile einer Turbine Zirka 2010 erhielten WZL und IPT einen experimentellen Forschungsauftrag zur Untersuchung der fertigungsbedingten thermischen Belastung von Nickelbasislegierungen, die in Flugzeugturbinen verwendet werden. Anlass dafür war ein Unfall, der auf Mikrorisse im Bohrloch eines Turbinenteils zurückzuführen war. Bei tödlichen Flugzeugunglücken stehen Antriebsschäden in der Häufigkeit laut einer EASA-Studie (European Aviation Safety Agency) immerhin an vierter Stelle der möglichen Ursachen (nach dem Verlust der Steuerungskontrolle, Feuer und ähmlichem). Eine genaue Analyse, bei welchen Produk tionsbedingungen stark beanspruchte Bauteile den höchsten Qualitätsansprüchen Es ist schon ein besonderer Moment, wenn man zum ersten Mal ein Wärmebild sieht, das in jedem Physiklehrbuch steht, so aber bisher noch nie gemessen und überprüft werden konnte. (Im Bild v.l.n.r) Roland Müller, Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie, Sascha Gierlings und Matthias Brockmann, Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen genügen (und wann nicht), kann hier also über Leben und Tod entscheiden. Während bestimmte Bestandteile, wie die Schaufeln einer Turbine, die durchaus im Flug beschädigt werden können, ohne dass Menschen dabei zwangsläufig zu Schaden kommen müssen, hat ein Bruch des Turbinenrades fast immer verheerende Folgen. Deswegen müssen definierte Materialeigenschaften vorliegen, auch an den bearbeiteten Oberflächen (Geometrie, Rauheit, Anomalien der Oberfläche, Härte). Kritisch sind aber auch Gefügeveränderungen in der Oberflächenrandzone wie Mikrohärte, mikro-strukturelle Anomalien (Verformungsschichten, Phasenveränderungen, etc.) und Eigenspannungen eines Bauteils. Optimierter Zerspanungsprozess Wichtige Parameter für den Zerspanungsprozess sind die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Stärke oder Dicke des Spans sowie die Materialabtragsrate. All dies wirkt sich 66 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2015

auf die Materialqualität und die Temperaturentwicklung im Prozess aus. Bei niedriger Schnittgeschwindigkeit und geringer Spanstärke sollte die Qualität des Bauteils theoretisch am höchsten sein. In der Praxis ergeben sich – neben einer sehr niedrigen Produktivität – aber auch Probleme durch entstehende Aufbauschneiden. Sehr hohe Prozessgeschwindigkeit, größere Spandicke und hohe Materialabtragsraten dagegen wirken sich durch die starke Wärmeentwicklung mit einem höheren Verschleiß des Werkzeugs aus. Es gilt also die Prozessparameter in einem thermisch optimalen Bereich zu halten, bei dem Qualität und Produktivität gleichzeitig am Höchsten sind. box“ dar, über die vielleicht theoretische Modelle bestehen, deren experimentelle Überprüfung in der Vergangenheit jedoch nicht oder nur unvollständig möglich war. Dazu zählt auch die exakte Temperaturverteilung beim Zerspanen: „gesehen“ hatte sie immer noch niemand, denn die technischen Voraussetzungen für eine solche thermische Visualisierung waren einfach noch nicht gegeben. Ganz anders sieht es heute aus, denn als zerstörungsfreies Inspektionsverfahren bietet sich mittlerweile die Thermografie mit hochwertigen, gekühlten Wärmebildkameras an. Sie bieten den Vorteil, dass die angestrebte Qualität neben dem Prozess analysiert werden kann. Das heißt, die Signale können bereits während des Herstellungsprozesses ermittelt und interpretiert werden. Stellt man in einem frühen Stadium Vom Modell zum Experiment Über allen Versuchen steht in Aachen die zentrale Frage: Was passiert genau im Fertigungsprozess? Viele Prozesse stellen sich für die Forscher auch heute noch als „black 01 Die Versuchsanordnung verbindet die Infrarotkamera mit den optischen Lichtleitern des 2-Farben-Pyrometers. Im Beispiel erfolgt die Bewegung des Werkzeugs nach unten: vom (zentimeterkleinen) Werkstück selbst wird im Versuch nur ein Span von wenigen Mikrometern Größe abgetragen AV_ IndustrielleAutomation_14.8.2015_AV_Anzeige 14.08.15 17:36 Seite 1 Einer für Alle Um die Standardisierung und somit die Optimierung seiner Kontrollsysteme für die Pharmaindustrie voranzutreiben, suchte Laetus nach modularen Bausteinen. Zusammen mit Allied Vision entwickelten die Laetus-Ingenieure das optimale Kameramodul: standardisiert und vielseitig zugleich. Lesen Sie mehr: AlliedVision.com/einerfueralle

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