Forschungsprojekt Turbinenschaufeln automatisiert schleifen

Den Prototypen einer Roboterzelle zum automatisierten Schleifen von gegossenen Turbinenschaufeln hat das Forschungsprojekt Turbo-Eras entwickelt. Beteiligt waren vier Industrieunternehmen und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik (IPT).

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Als Anbieter von robotergestützten Anlagen zum Schleifen, Polieren und Entgraten hat die SHL AG aus Böttingen dabei laut eigener Mitteilung das Gesamtsystem konzipiert. Experten rechnen in den kommenden Jahren vor allem in der Luftfahrtindustrie mit einer steigenden Nachfrage nach Komponenten wie Turbinen- und Verdichterschaufeln, wie es in der Mitteilung heißt. Hier besteht nach wie vor die Forderung nach Gewichtsreduzierung und Steigerung der Verbrennungstemperatur. Zum Einsatz kommen neuartige Werkstoffe wie Titanaluminide oder Nickel-Basis-Legierungen. Die Komponenten entstehen dabei durch einen Gussprozess.

Manuelles Schleifen kostet viel Zeit

Nach dem Stand der Technik korrigieren Mitarbeiter Formabweichungen des Turbinenschaufelprofils nach der Fertigung bislang manuell. Dies ist jedoch äußerst zeitaufwendig. Stabile Verfahren wie das Fräsen kommen werkstoffbedingt nicht infrage.

Die manuelle Nachbearbeitung ist unterdessen nicht nur anstrengend, sondern gefährdet auch die Gesundheit der Mitarbeiter. Beim Schleifen von hochtemperaturfesten Turbinenschaufeln aus Nickel-Basis-Legierungen wie Inconel 738 entstehen krebserregende Stäube. Die Entwicklung eines Robotersystems sollte die Gesundheitsbelastung der Mitarbeiter minimieren. Darüber hinaus galt es, die Wirtschaftlichkeit und Prozessstabilität durch Automatisierung zu verbessern.

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Neben der SHL AG und dem Fraunhofer-IPT waren die Module-Works GmbH aus Aachen, die Doncasters Precision Castings-Bochum GmbH und die Carl Zeiss Optotechnik GmbH aus dem bayerischen Pilsting am Projekt Turbo-Eras beteiligt. Die Herausforderungen waren dabei klar definiert: Die Komplexität einer adaptiven Bearbeitung erfordert eine schnelle Erfassung der Ist-Geometrie und eine Analyse von Schaufellage und Formabweichungen zur Soll-Geometrie. Zudem galt es, die 6-achsigen Fertigungsbahnen automatisiert zu erstellen. Carl Zeiss Optotechnik steuerte dazu Hard- und Software für die optische 3D-Messtechnik bei, während Module-Works eine CAM-Software zur Programmierung und mannlosen Bearbeitung lieferte. Die Eignung des Turbo-Eras-Systems wurde an Schaufeln aus der Produktion des Endanwenders Doncasters Precision getestet. Das Fraunhofer-IPT unterstützte das Konsortium durch die Entwicklung von Schleifprozess- und Korrekturalgorithmen.

Werkstückgeführte Bearbeitung

Die Bearbeitung in der Zelle erfolgt werkstückgeführt. Ein Kuka-Industrieroboter bringt das Bauteil zunächst an ein 3D-Messsystem. Anschließend führt er die Schaufel zum Schleifen an die Freiband- und Kontaktrollen-Schleifmaschine FKS 250/450. Stäube werden sofort abgesaugt, um Verschmutzungen zu vermeiden. Die Robotersteuerung regelt den Schleifprozess über die Band- und Vorschubgeschwindigkeit sowie den Anpressdruck. Das speziell auf die Schaufelgeometrie ausgelegte System ermöglicht eine sichere Aufspannung am Roboterflansch, wie es heißt. Bedingt durch Formabweichungen an den Spannflächen des gegossenen Bauteils ist dies allerdings nicht reproduzierbar möglich. Die Referenzierung der Schaufel erfolgt daher mithilfe der 3D-Messtechnik.

Das Bauteil wird mittels Streifenlichtprojektion vermessen. Dabei entstehen dreidimensionale Abbildungen durch Aufnahmen aus mehreren Richtungen. Carl Zeiss Optotechnik entwickelte hierfür eine Systemkonfiguration. Die Verarbeitung der Messdaten erfolgt in der Software. Hier werden die 3D-Punktewolken der Einzelmessung zusammengesetzt und in ein Dreiecksnetz transformiert. Daraufhin kommt es über eine Auswertesoftware zum Vergleich mit dem CAD-Modell der Schaufel. Über farbliche Darstellungen können Abweichungen visualisiert werden.

Um die geforderte Formgenauigkeit der Turbinenschaufel zu erfüllen, entwickelte Module-Works eine auf die adaptive Schleifbearbeitung zugeschnittene CAM-Software. Dabei wurde ein Grundgerüst realisiert, mit dem es möglich ist, von einer CAD-Datei der Schaufel die Bahnen entlang des Schaufelblatts zu programmieren.

Forschungsprojekt erzielt Durchbruch

Eine Komponente der CAM-Software ist die Kollisionskontrolle. Sie berücksichtigt die Geometrie der Druckscheibe und des Schleifbandes bereits bei der Bahnplanung. Dabei wird unter anderem sichergestellt, dass der Fuß und das Deckband der Schaufel während des Prozesses nicht mit dem Werkzeug in Berührung kommen.

Durch die Zusammenführung der Systembausteine Roboterzelle, CAM-Software, 3D-Messtechnik und Prozesstechnik ist es den Beteiligten des Turbo-Eras-Projekts gelungen, erstmalig die Voraussetzung für eine robotergestützte, adaptive Schleifbearbeitung von Turbinenschaufeln zu schaffen, wie SHL berichtet. Der Prozess ist vom Einspannen des Bauteils über die Vermessung bis zur Bearbeitung reproduzierbar und sicher. Er ist durch eine adäquate CAM-Bahnplanung sowie durch die Synchronisation mit dem Roboter und der Freiband- und Kontaktrollen-Schleifmaschine wirtschaftlich. Die Einzelprozesse können jederzeit in eine automatisierte Anlage übertragen werden. Ein entsprechendes Konzept für die industrielle Anwendung hat SHL nach eigenen Angaben bereits entworfen

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