„Nur eine ausgelastete Maschine ist eine effiziente Maschine“ lautet das Motto in der Schaufelfertigung der Siemens AG Steam Turbines in Görlitz. Voraussetzung dafür sind optimierte Durchlaufzeiten sowie das Vermeiden von Engpässen. Im Rahmen der Qualitätssicherung bedeutet dies insbesondere die Reduzierung der Programmzeiten für Messprogramme, die das 3D-Koordinatenmessgerät zu einer effizienten Maschine werden lassen. Die Lösung für Siemens: der I++Simulator von Hexagon Metrology.
Das Turbinenwerk Görlitz ist die Zentrale des Dampfturbinengeschäfts von Siemens. Ein Großteil der rund 20 000 weltweit installierten Siemens-Dampfturbinen kommt von dort. Bis zu 200 Schaufeln, angeordnet auf unterschiedlich großen, ringförmigen Sätzen, kann eine großdimensionierte Turbine vereinen. Während sich am Dampfeintritt der Turbine die kleinen Hochdruckschaufeln (HD) befinden, werden diese nach hinten – mit der Dampfausdehnung – zu immer größeren und zunehmend verwundenen Niederdruckschaufeln (ND). „Unsere kleinste gefertigte HD-Schaufel misst 45 Millimeter in der Höhe und 12,5 Millimeter in der Breite“, erklärt Ulrich Maywald, Leiter der Turbinenschaufelfertigung bei Siemens in Görlitz. „Die größte ND-Schaufel ist stolze 1,2 Meter lang und wiegt beachtliche 43 Kilogramm. Sie wird aus einem ursprünglich 76 Kilogramm schweren, geschmiedeten Rohteil gefräst“, leitet er zum komplexen Fertigungsverfahren der Niederdruckschaufeln über.
Wie die bislang größte werden auch alle anderen ND-Schaufeln mit ihrem verwundenen Blatt und tannenbaumförmigen Fuß aus einem Schmiederohling herausgearbeitet. Dafür stehen in Görlitz modernste CNC-Fünf- und Vier-Achs-Bearbeitungszentren zur Verfügung. „Auf einer solchen Maschine erfolgt in zwei Schritten die Komplettbearbeitung. Aus dem Rohling entsteht dabei eine zu 95 Prozent fertige Schaufel“, erläutert Maywald. „Diese Fertigungstiefe ist natürlich auch eine enorme Herausforderung an die Qualitätssicherung. Denn wir sind mit sehr vielen und sehr unterschiedlichen Einflussfaktoren konfrontiert, die den Durchlauf beeinflussen. Dazu gehören Einricht- und vor allem Messzeiten.“
Kommt es zu Schwierigkeiten beim Einfahren eines NC-Programms oder bei der ersten Vermessung einer Schaufel, müssen der Fertigungsplan sowie die Terminplanung schnell angepasst werden. „Der Einsatz von Simulationssoftware reduziert das Fehlerrisiko in diesen Punkten ganz erheblich“, konstatiert Sebastian Frinker, Anwendungstechniker in der Görlitzer Schaufelfertigung. Um gleichzeitig eine Kollisionskontrolle und Achsoptimierung an den Fräsmaschinen durchführen zu können, ist es bei Schmiederohlingen besonders wichtig, ihre genaue Kontur zu kennen.
Die Rohlinge werden mit Hilfe des Messarms Romer Absolute Arm 7-Axis SI vollständig digitalisiert. Das generierte 3D-Modell wird dann als Ausgangsbasis direkt in der NC-Programmiersoftware der Fräsmaschinen verwendet. „Noch wesentlicher ist allerdings“, so Frinker, „dass wir das Resultat der Fertigungssimulation auch virtuell per Simulation messen können – bevor real auch nur ein einziger Span gefallen ist. So lassen sich nicht nur Kollisionen erkennen, sondern auch bereits das programmierte Aufmaß messen und kontrollieren.“
Da sich die jeweiligen Bearbeitungsstufen der Schaufelprofile in ein digitales 3D-Abbild überführen lassen, können Rückschlüsse auf die Korrekturparameter für den Fertigungsprozess verifiziert werden. Das kann jedoch nur effizient sein, wenn sich die Schaufelprofile auf gewohnte Weise messen und auswerten lassen, ohne die reale Messmaschine zu „belasten“. Das digitalisierte Bauteil der jeweiligen Fertigungsstufe muss also seinen Weg in den virtuellen Messraum finden.
Realisiert wurde das durch den Einsatz des I++Simulators von Hexagon Metrology – dem virtuellen Messraum – in Kombination mit der bereits seit Jahren bei Siemens eingesetzten Messsoftware Quindos mit I++DME. Mit der simulierten Messung entfällt das frühere, extrem zeitaufwändige Prozedere mehrfacher Einricht- und Messschritte beim Einfahren neuer Schaufelvarianten.
Der I++Simulator ermöglicht als eigenständiges Programmpaket die Simulation eines kompletten Messablaufs. Mit ihm programmiert Anwendungstechniker Frinker die Messabläufe des kompletten Teilespektrums so, als ob er an seinem realen Messgerät, einem Leitz Sirio 688, agieren würde. Das heißt, er arbeitet mit dem virtuellen Zielmessgerät und programmiert mit seiner gewohnten Mess- und Auswertesoftware Quindos. Der einzige Unterschied: Zur manuellen Steuerung des virtuellen Messgeräts dient ein herkömmliches Gamepad anstelle des konventionellen Bedienpults.
Programmiert wird also wie an der realen Maschine. Damit wird Offline-Programmierung zur „barrierefreien“ Online-Programmierung. Für eine maximale Effektivität bei der Messprogrammerstellung setzt man zudem die Quindos-Anweisung Mebladeprof (Messen/Auswerten – Profil einer Turbinenschaufel) ein. Deren Leistungsbandbreite reicht vom vereinfachten Messen bis zur Auswertung eines Schaufelprofilschnitts.
Die Eingabe der Sollwerte der Profilcharakteristika erfolgt über eine einfache Maske mit der Visualisierung eines Schaufelprofils. Die Anweisung ruft ein Unterprogramm auf, das das Profil automatisch – mit den notwendigen Freifahrwegen – misst und wahlweise Radiuskorrektur, Einpassung, Ist-Soll-Vergleich und Ergebnisdarstellung durchführt. Die Anweisung kann direkt mit den in Quindos CAD generierten Soll-Profilen erfolgen – ob für den virtuell gemessenen Schaufelrohling oder das reale gemessene Fertigteil. Für die Profilschnitte der Rohlinge wird das bereits durch Digitalisierung erstellte CAD-Modell verwendet. Es bietet den Vorteil, dass eine Auswertung zum Mittelmaß erfolgen kann, um auf diese Weise die Prozesskorrektur für die Fertigung zu verifizieren.
Sicherheit bei parametrisierten Messprogrammen
„Bei parametrisierten Messprogrammen, die ja immer für eine ganze Bauteilfamilie gelten, können auf eine spezielle Schaufel bezogene Detailänderungen problematisch werden“, bringt Frinker den Aspekt der Messprogramm-Anpassung ins Spiel. „Weil sie ja auch immer Auswirkungen auf den Rest der Familie haben, die man vielleicht gar nicht im Blick hat. Das stellt man dann erst fest, wenn es bei deren Produktion zu Schwierigkeiten kommt.“ Schwierigkeiten, die der Messspezialist mit dem I++Simulator ausschließen kann: „Mit dem I++Simulator kann ich ganz einfach die diversen Szenarien virtuell durchspielen und alle Problemfälle im Vorfeld erkennen. Hätte ich diese Möglichkeit nicht, müsste ich nach einer Änderung im parametrisierten Programm tatsächlich jedes Teil der Schaufelfamilie real aufspannen und einzeln durchmessen – was allein vom Zeitaufwand völlig unmöglich ist.“
Fertigungsleiter Maywald zeigt sich denn auch mehr als begeistert von der Kombination von Quindos, der Anweisung Mebladeprof und des I++Simulators: „NC- oder Messprogrammfehler werden damit bereits vor Anlieferung des Rohmaterials erkannt und die Fertigung kann ohne Verzögerung beginnen. Durch die komplett virtualisierte Fertigung und Messung haben wir auch beste Voraussetzungen für eine schnelle Entwicklung neuer Schaufelgeometrien und deren Produkteinführung.“
Hexagon Metrology GmbH www.hexagonmetrology.de
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