Präzise Fertigung von Großbauteilen

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Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Tracking-Interferometer richtet Laserstrahl automatisch aus

Die Lasermessung ist besonders schnell, wenn ein sogenanntes Tracking-Interferometer (Laser-Tracker oder Laser-Tracer) eingesetzt wird, das den Laserstrahl automatisch in die Messrichtung ausrichtet. Innerhalb von wenigen Stunden können hiermit die Positionier- und Rechtwinkligkeitsabweichungen einer Drei-Achs-Maschine mit einem Volumen von 10 m × 3 m × 2 m hoch genau ermittelt werden.

Besitzt die Werkzeugmaschine einen Drehtisch als vierte Achse so kann die Maschinengenauigkeit im Bereich über dem Drehtisch ermittelt werden, indem die Positionsabweichung zweier Referenzkugeln für verschiedene Winkelstellungen des Tisches überprüft wird [3]. Mit einem berührungslosen 3D-Sensor zur Erfassung der Kugelpositionen ist eine solche Messung innerhalb von 30 min durchführbar.

Im Einzelfall sollte immer abgewägt werden, ob eine Unterbrechung der Produktion zur Kurzprüfung der Maschine wirtschaftlich sinnvoll ist oder nicht. Bei Großbauteilen, deren Fehlbearbeitung leicht Schäden in sechsstelliger Höhe verursachen kann, ist diese Voraussetzung jedoch fast immer gegeben.

Instabile thermische Bedingungen in der Produktionsumgebung führen zu zeitlich und örtlich inkonstanten, thermoelastischen Geometrieänderungen von Bauteilen. Daraus resultieren signifikante Fertigungs- und Messabweichungen, insbesondere bei der präzisen Fertigung und Messung kritischer Merkmale von Bauteilen mit großen Dimensionen. Während sich thermische Dehnungen proportional zur Bauteilgröße verhalten, gilt dies nicht für die spezifizierten Toleranzen, beispielsweise von Turbinenläufern, Turbinengehäusen oder Verzahnungen.

Messungen an geometrisch anspruchsvollen Großbauteilen zwischen unterschiedlichen Fertigungs- oder Montageschritten finden in der Regel in einer nicht klimatisierten Produktionsumgebung statt, was zu thermisch bedingten Geometrieänderungen des Werkstücks führt. Letzteres gilt ebenfalls für die Endprüfung, wenn kein klimatisierter Messraum geeigneter Größe vorhanden ist. Doch selbst wenn das Bauteil zur geometrischen Prüfung in eine temperierte Umgebung transportiert wird, muss das thermoelastische Verhalten berücksichtigt werden. Die Geometrie abhängige Temperierungszeit, hauptsächlich bestimmt durch die Temperaturdifferenz aufgrund des Umgebungswechsels oder gegebenenfalls noch gespeicherte Prozesswärme kann bei großen Bauteilen Tage beanspruchen, ist in der Regel aber nicht annähernd bekannt und wird daher meist nicht eingehalten. Dies kann zu Problemen bei der Montage führen, zum Beispiel von Turbinenläufer und -gehäuse, wenn eine eigentlich notwendige Nachbearbeitung ausgelassen wurde oder zu einem problematischen Messergebnis bei der Abnahme durch den Kunden.

Im Rahmen des Arbeitskreises wird für das Konsortium eine intuitive Software entwickelt, welchen den Werker bei der Bestimmung und Beurteilung von thermoelastischern Bauteilabweichungen und vor dem nächsten Fertigungsschritt oder der geometrischen Zwischen- oder Endprüfung unterstützt. So nehmen die Industriepartner eine Vorreiterrolle bezüglich der Standardisierung im Bereich der Fertigung und Prüfung großer Bauteile ein und sind auf die Anforderungen zukünftiger Richtlinien oder Normen optimal vorbereitet.

Der Einsatz spezifischer Messmittel oder gar von Koordinatenmessgeräten zur Bauteilprüfung ist zeit- und kostenintensiv und das Messen zwischen einzelnen Prozessschritten nicht immer durchführbar. Gleichzeitig verfügen moderne Werkzeugmaschinen jedoch über hochgenaue Linearmesssysteme in den Achsen. Warum also nicht die Werkzeugmaschine als Koordinatenmessgerät einsetzen? Die Rückführbarkeit ist dabei der zentrale Forschungsaspekt. Erst durch die Rückführung werden die Messergebnisse valide und vergleichbar und können mit der Zuordnung einer Messunsicherheit zur Quantifizierung des Fertigungsprozesses und zur Qualitätssicherung herangezogen werden [4].

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