Automatisierte Messung von Werkzeuggeometrien und Oberflächenbeschaffenheit Optische 3D-Messtechnik für die Luftfahrt

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Automatisierte Messung von Werkzeuggeometrien und Oberflächenbeschaffenheit

Optische 3D-Messtechnik für die Luftfahrt

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Für das Technologie- und Forschungszentrum Metallicadour fiel die Wahl leicht: Automatisierte Messungen mit wiederholgenauen und rückführbaren Ergebnissen haben auf der Suche nach einer geeigneten Messlösung überzeugt. Für die Entwicklung automatisierter Bearbeitungsprozesse in der Luft- und Raumfahrt verifiziert Metallicadour Werkzeuggeometrien und Oberflächenbeschaffenheit von Bauteilen mit optischer 3D-Messtechnik.

Die rasante technische Entwicklung in der Raumfahrtindustrie und die damit neu entstehenden Anwendungsfelder bedeuten auch steigende Anforderungen an die entsprechenden Bearbeitungswerkzeuge. Das Expertenteam des Forschungszentrums Metallicadour fand in Alicona die richtige Lösung für die Messung komplexer Geometrien und schwer bearbeitbarer Werkstoffe, wie Titan, Komposite und hitzebeständige Legierungen.

Metallicadour ist ein Zentrum für Forschungs- und Technologietransfer und konzentriert sich insbesondere auf die Bereiche Bearbeitung, Montage und Prozessautomatisierung in der metallverarbeitenden Industrie. Im Jahr 2015 mit der Unterstützung der Ingenieurhochschule ENIT gegründet, liegt das Zentrum im Herzen des Adour-Industriebeckens in Frankreich und richtet sich vor allem an kleine und mittlere Unternehmen im Luftfahrt- und Raumfahrtbereich. Unterstützt wird es bei seiner Arbeit von den großen lokalen Auftragnehmern, darunter Luftfahrtunternehmen wie Safran, Daher und Dassault. Metallicadour ermöglicht es Bauteilherstellern und Zulieferern, Verfahren zu testen, Maschinenprozesse zu automatisieren und neue Bearbeitungstechnologien zu entwickeln, wie etwa die Ultrahochdruck-Kühlschmierung und kryogene Zerspanung.
Die Prüfung der Werkzeugform und Rauheit hat großen Einfluss auf die technische Lebensdauer und kann dabei helfen Werkzeugverschleiß und Rattererscheinungen zu verringern. Dies ist wiederum wichtig für eine Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit der behandelten Komponenten. „Schneidwerkzeuge, die zur Bearbeitung von Luftfahrtkomponenten eingesetzt werden, müssen höchste Anforderungen hinsichtlich der präzisen Bearbeitung von Metallteilen bei hohen Drehzahlen erfüllen, weshalb ihre Geometrien und Kanten besonderen Augenmerk erfordern“, erklärt Pierre Courbun, Entwicklungsingenieur bei Metallicadour. „Mit Alicona haben wir das gefunden, wonach wir gesucht haben: Eine messtechnische Lösung, die präzise und wiederholbare Messungen liefert und dabei einfach und flexibel in der Handhabung ist.“
Lösung für alle Messaufgaben
Da gemessene Bauteile und Anforderungen variieren, waren Courbun und seine Kollegen froh, eine Lösung für alle Messaufgaben zu finden, darunter die Verifizierung von Rauheit und Form bei Fräsern, Inserts und Bohrern. „Unsere Bauteile weisen oft steile Flanken, tiefe Längenbereiche und Lichtreflexionen auf“, erläutert Courbun. „Mit dem optischen Messsystem von Alicona messen wir kleine Radien bei Oberflächenverbindungen und die Geometrie komplex geformter Werkstücke. Wir können auch die Rauheit von Bauteilen mit sehr glatten Oberflächen oder von Teilen messen, die für eine taktile Messung zu klein sind. Lasertechnische Lösungen sind für unsere Messaufgaben meist nicht präzise genug.“
Basierend auf der Technologie der Fokus-Variation, können mit dem Messsystem sowohl profilbasierte (Ra, Rq, Rz) als auch flächenhafte Parameter (Sa, Sq, Sdr) gemessen werden. Mit bis zu 500 Millionen Messpunkten sind die Messdaten besonders robust und zuverlässig. Die Genauigkeit der Rauheitsmessungen kann mittels eines auf die PTB rückführbares Rauheitsnormals verifiziert werden.
Die 3D-Messdaten der Probe können vollautomatisch mit einem importierten CAD-Datensatz oder einer Soll- bzw. Referenzgeometrie verglichen werden. Courbun und seine Partner erhalten dadurch einen besseren Einblick in die Schneidvorgänge und verwandte Aspekte: „Mit unseren Messungen untersuchen wir das Verschleißverhalten anhand des Vergleichs von verschiedenen Werkzeugen und Werkstoffen. Wir studieren die Wirkverhältnisse zwischen den Schneidkräften, dem Verschleißverhalten und der Werkzeugleistung im Hinblick auf die Rauheit, die das Werkzeug während seiner Lebensdauer erzeugt. Darüber hinaus analysieren wir die Verbindungen zu Oberflächenwerkstoffen und Veränderungen der mechanischen Oberflächenspannung.“
Automatisierte Fräsbearbeitung
Alicona kommt auch bei der Entwicklung von neuen Lösungen für die Metallbearbeitung zum Einsatz. „Wir arbeiten an einer automatisierten Produktionslösung, bei der das Werkstück von einem Fräsroboter bearbeitet wird“, so Courbun. „Das Bauteil wird in einem schrittweisen Prozess automatisch gemessen, um seine Dimensionen und mögliche Abweichungen von der Zielgeometrie festzustellen. Dies erfolgt durch einen weiteren Roboter, der über den optischen Sensor von Alicona verfügt. Auf Grundlage der hochauflösenden Messdaten passt die Maschine die Prozessparameter automatisch für die weiteren Produktionsschritte an.“
In ihren gemeinsamen Workshops haben Metallicadour und Alicona außerdem die automatisierte Defektmessung an Rotorblättern und neue, gemeinsam erarbeitete Roboterlösungen für die Qualitätskontrolle von Fahrwerken, Turbinenscheiben und großen Bauteilen demonstriert.
Defekte an Rotorblättern, Motoren und anderen Flugzeugbauteilen können kritische Auswirkungen auf die Sicherheit haben, da sie Belastungspunkte erzeugen. Diese Stresszonen können Risse zur Folge haben. Wenn die örtliche Belastungskonzentration zu stark anwächst oder ein Riss eine kritische Größe erreicht, kann der verbleibende Werkstoff die wirkenden Lasten nicht mehr tragen. Dies kann zu einem Bruch oder plötzlichen Abriss führen.
Solche Defekte können durch Bearbeitungsfehler, Korrosion oder äußere Einflüsse, wie z. B. Steinschläge und kleine Partikel, verursacht werden. „Früher konnten Bauteile nur mit dem geschulten Blick eines Experten überprüft werden, dabei gab es keine weiteren Hilfsmittel“, merkt Courbun an. „Mit der hochauflösenden Messtechnik von Alicona werden örtliche Oberflächendefekte automatisch gemessen. Form und Größe des Defekts können in der Prozessentwicklung oder MRO-Abteilung so einfach quantifiziert werden.“ Überschreitet ein Defekt einen festgelegten Toleranzbereich, muss entsprechend nachgearbeitet werden, bis der Defekt ein akzeptables Ausmaß erreicht hat. Andernfalls muss das Werkstück ersetzt werden.
Weitere Anwendungen optischer Messtechnik in der Luft- und Raumfahrtproduktion umfassen Messungen von Turbinenschaufeln, automatische Messungen von Kühlbohrungen, Prüfungen der Kantenpräparation an Schaufelfüßen und Messungen von Form und Rauheit zur Optimierung von Beschichtungsprozessen. ■
Alicona Imaging GmbHwww.alicona.com
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