Fortschrittliche 3D-Scan-Digitalisierungstechnologien für die zerstörungsfreie Prüfung von Komponenten industrieller Gasturbinen

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Unternehmen, die Teile für die Luft- und Raumfahrt sowie die Stromerzeugung herstellen, wie z. B. Motorkomponenten für Industriegasturbinen (IGT), Heißgaspfadschaufeln und Düsenleitschaufeln, tragen eine Schutzschicht auf Turbinenschaufeln auf, damit diese den hohen Temperaturen standhalten, denen sie während des Betriebs ausgesetzt sind . Die Dicke und Mikrostruktur der Beschichtung muss während der Anwendung und während der gesamten Lebensdauer der Klinge bewertet werden, um ihre Einsatztauglichkeit sicherzustellen. Luft- und Raumfahrtunternehmen sowie Energieerzeugungsunternehmen können diese Analyse durch zerstörende Prüfverfahren (DT) oder zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) durchführen.

Eine DT-Methode umfasst die Verwendung von Elektroerosionstechniken (EDM), um Schaufelabschnitte für die Analyse mit dem Mikroskop zu zerschneiden und so einen detaillierten Blick auf die Größe und Struktur der Beschichtungsschichten zu ermöglichen. Allerdings kann die Herstellung jedes Rotorblatts mehr als 1.000 US-Dollar kosten, und die typische Anforderung besteht darin, eines von 20 Rotorblättern zu überprüfen, was diese Methode teuer, zeitaufwändig, für große Mengen unpraktisch und auf lokale Analysen beschränkt. Eine gängige ZfP-Technik für diese Messung ist die Wirbelstromprüfung, bei der elektromagnetische Induktion zur Messung der Beschichtungsdicke verwendet wird, indem Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit erfasst werden, die durch das Vorhandensein der Beschichtung verursacht werden. Dieser Ansatz wird jedoch durch die magnetischen Eigenschaften, aus denen die Turbinenschaufeln bestehen, begrenzt.

Dieses Dilemma ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet, wo während des gesamten Lebenszyklus einer Komponente, von der Produktion bis zur Instandhaltung, auf zerstörende und zerstörungsfreie Prüfmethoden zurückgegriffen wird. Zerstörende Techniken werden für Analysen eingesetzt, die für Qualität und Funktionalität von entscheidender Bedeutung sind, wie beispielsweise Schichtdickenmessungen und die Überprüfung der Abmessungen der Innenwände in Rotorblättern, und liefern die notwendigen Informationen – und das zu hohen Kosten. Mittlerweile sind einige NDT-Alternativen durch die Unterlagen der Anwendung eingeschränkt und bieten nur begrenzte Informationen im Verhältnis zum erforderlichen Aufwand. Fortschrittliche 3D-Digitalisierungstechnologien bieten eine Lösung mit einer modernisierten NDT-Alternative, die Zeit und Geld spart und den Zugriff auf mehr Informationen in einer einzigen Messsitzung ermöglicht.

Eine weitere Alternative zur zerstörenden Prüfung zur Schichtdickenanalyse ist die Verwendung von Testcoupons als standardisierte Proben, die die Analyse lokaler Daten aus einigen Bereichen einer Schaufel ermöglichen. Die Testcoupons werden an ein Labor geschickt, wo Techniker die Querschnittsdicke der Beschichtungen bewerten. Die Analyse des Labors zeigt die entsprechenden Modifikationen im Beschichtungsprozess auf. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die zulässige Dicke erreicht ist. Eine Iteration eines Beschichtungsprojekts kann sechs Wochen dauern, und da einige Projekte mehrere Iterationen erfordern, wird dies zu einem langwierigen Entwicklungsprozess. Ein präziser 3D-Scanner bietet jedoch eine schnelle und effiziente alternative Methode zur Messung der Klingenbeschichtungsdicke. Anstatt wochenlang auf die Analyse aus einem Labor zu warten, erfasst ein 3D-Scanner schnell Messwerte und eine fortschrittliche 3D-Messsoftware bewertet die Schichtdicke in Sekundenschnelle. Der Vorgang ist einfach:

Die Digitalisierung dieses Prozesses bietet neben der Beschleunigung des Entwicklungsprozesses viele Vorteile gegenüber zerstörenden und herkömmlichen ZfP-Methoden. Die Automatisierung der Datenerfassung und -prüfung erhöht die Geschwindigkeit und Effizienz dieses Prozesses weiter. Ein Bediener kann in der Software eine Toleranz für die Schichtdickenmessung vordefinieren, um zu bestimmen, ob eine Klinge die Prüfung besteht oder nicht, und die Software kann automatisch Bestanden-/Schlecht-Berichte erstellen. Auch mehrschichtige Beschichtungen können als Gesamtdicke analysiert und nach einzelnen Schichten in einem Bericht bewertet werden.

Eine weitere häufige Anwendung der zerstörenden Analyse ist die Prüfung interner Strukturen in Hochtemperaturschaufeln. Gasturbinen erfordern einen fortschrittlichen Keramikkern und Superlegierungs-Feinguss, um Kühlung, Leistung und Haltbarkeit zu optimieren. Diese Keramikkerne mit geringem Durchfluss verfügen über mehrere Wände und andere komplexe Designmerkmale. Die Abmessungen dieser Innenwände schnell und genau zu überprüfen, ohne sie zu zerstören, ist eine Herausforderung.

Die Computertomographie (CT) für die Messtechnik bietet jedoch eine zerstörungsfreie Methode zur Inspektion von Innenwänden und Strukturen. CT-Scanner nutzen Röntgentechnologie, um innere und äußere Geometrien vollständig zu digitalisieren. 3D-Messsoftware verwendet diese Daten dann, um Kernverschiebungen oder andere Fehler zu identifizieren, die aus dem Gussprozess resultieren, und um kritische Messungen genau zu berechnen, einschließlich Innenwandstärken, radialen Höhen und Durchmessern der Kühlströmungskanäle.

Diese internen Inspektionen helfen bei der Identifizierung von Problemen, der Validierung, der Untersuchung von Unstimmigkeiten in Produktionsprozessen und der Lokalisierung von Mängeln wie Rissen und Hohlräumen und tragen dazu bei, sicherzustellen, dass kritische Komponenten wie Rotorblätter strukturell und funktionell einwandfrei sind. Diese verwertbaren Daten tragen zur Fehlervermeidung bei und bieten Informationen, die über den ursprünglichen ZfP-Zweck hinaus genutzt werden können.

Herkömmliche ZfP-Methoden liefern im Allgemeinen nur Informationen über das Teil oder Material, das den Prüfzwecken entspricht, wie z. B. Beschichtungsdicke, Art und Ort der vorhandenen Fehler. Der Zeit- und Arbeitsaufwand für die Durchführung einiger dieser Methoden ist größer als die Informationen, die sie liefern. Fortschrittliches berührungsloses 3D-Scannen digitalisiert ein physisches Objekt, um ein vollflächiges 3D-Netzmodell zu erstellen, das viele herkömmliche ZfP-Methoden ersetzen und erweiterte Inspektionen in 3D-Messsoftware durchführen kann. Ein präziser 3D-Scanner kann beispielsweise eine Düsenleitschaufel digitalisieren. Anschließend verwendet eine fortschrittliche 3D-Messsoftware diese Daten, um lokale Effekte im Netz zu analysieren, die in CAD-Abweichungen nicht sichtbar sind. Die Software kann die Defekte nach Merkmalen wie Größe, Fläche und Tiefe klassifizieren. Dieses Verfahren ist ein schneller und zuverlässiger Ersatz für Sichtprüfungen. Anschließend kann die Software dieselben Daten verwenden, um andere erweiterte Prüfungen durchzuführen, einschließlich GD&T-Analyse, Formvalidierung, Prüfung des Halsbereichs zwischen Teilen und virtuelle Montage. Daten aus mehreren Teilen können für Trend- und SPC-Analysen (statistische Prozesskontrolle) verglichen und ausgewertet werden, um tiefere Prozesseinblicke zu ermöglichen. Prüfergebnisse und der dazugehörige digitale Zwilling können intern mit anderen Abteilungen oder Lieferanten geteilt werden. Die Daten können auch archiviert werden, um sie bei Bedarf abzurufen.

Fortschrittliches 3D-Scannen bietet Digitalisierung für eine schnelle und genaue zerstörungsfreie Analyse. Durch die Auswertung eines digitalen Zwillings anstelle eines physischen Teils können Tausende eingespart werden, da die Zerstörung von Rotorblättern und anderen hochwertigen Teilen verhindert wird. Durch die Implementierung von Automatisierung wird diese Effizienz noch weiter gesteigert und die Prozessentwicklung beschleunigt. Fortschrittliche 3D-Messsoftwarefunktionen bieten zuverlässige und effizientere Lösungen für die Einschränkungen herkömmlicher zerstörungsfreier Methoden. Berührungslose 3D-Messtechnologien wie 3D-Scanner und CT-Scanner beseitigen die Hindernisse, die unterschiedliche Materialien für einige herkömmliche ZfP-Methoden darstellen, und bieten Luft- und Raumfahrtherstellern mehr Möglichkeiten für Innovationen.

Emily Starinieri ist Content Creator bei CAPTURE 3D, einem ZEISS-Unternehmen. Für weitere Informationen rufen Sie (714) 546-7278 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.capture3d.com.