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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum durchstrahlenden Vermessen
zumindest eines Teilbereichs eines Bauteils für eine Strömungsmaschine sowie ein Vermessungssystem
zum Durchführen
des Verfahrens.
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Derartige
Verfahren und Vermessungssysteme sind bereits aus dem Stand der
Technik bekannt und dienen zum Überprüfen von
Form- und Lagetoleranzen von Bauteilen. Jedes Bauteil besitzt dabei eine
ideale, über
das Nennmaß definierte
geometrische Gestalt, die durch eine entsprechende Beschreibung – beispielsweise
in einer Zeichnung oder einem Rechenmodell – festgelegt werden kann. Aufgrund
von unvermeidbaren Fertigungstoleranzen bei der Erstellung des konkreten
Bauteils ist diese ideale Gestalt üblicherweise jedoch nicht oder
zumindest nicht für
das gesamte Bauteil zu erreichen. Es ist daher wichtig, die Abweichung
eines Ist- von einem Nennmaß des
Bauteils ausreichend genau charakterisieren zu können, um das Bauteil gegebenenfalls nachzuarbeiten
oder zu verwerfen.
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Verschiedene
Bauteile für
Strömungsmaschinen,
insbesondere für
thermische Gasturbinen, sind mit Kühlluftbohrungen versehen. Kühlluftbohrungen
gibt es in verschiedenen Ausprägungen.
Sie haben häufig
einen geringen Abstand untereinander, gehen bei verschiedenen Bauteiltypen
unter verschiedenen Winkeln in das Bauteil ein und liegen teilweise
nahe an Wandgeometrien. Toleranzen an der Außengeometrie (z. B. bei sog. „Airfoils”) und an
der Innengeometrie (z. B. bei sog. „Cavities” bzw. Kernen) derartiger Bauteile
sowie der Versatz von beiden zueinander machen eine prozessstabile
Fertigung schwierig. Erschwerend kommt hinzu, dass die Toleranzen
der Außenfläche ein
Verschieben, Verdrehen und Kippen des Bauteils bewirken, was dementsprechend
auch Einfluss auf die Lage und Ausprägung der Kühlluftbohrungen hat.
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An
Kühlluftbohrungen
werden jedoch hohe Anforderung hinsichtlich Lage und Ausprägung, insbesondere
bei Formbohrungen (sog. „Shaped
Holes” bzw. „Turbulent
Holes”),
gestellt, um die spezifizierte Kühlleistung
für das
Bauteil zu erreichen. Wenn diese Kühlleistung zum Beispiel aufgrund
der unzureichend ausgebildeten Trichterform zu gering ist, so kann
dies zu einer unzulässigen Überhitzung
des Bauteils führen.
Dies kann wiederum eine erhebliche Beeinträchtigung der Strömungsmaschine
bewirken. Diese Problematik tritt sowohl bei der Neuteilfertigung
als auch bei der Wartung, Reparatur oder Überholung (Maintenance, Repair,
Overhaul (MRO)) des Bauteils auf.
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Zum
Vermessen von Kühlluftbohrungen
ist es daher notwendig, die aktuelle Lage und die Ausprägung des
Bauteils zumindest in einem Teilbereich zu ermitteln. Unter Ausprägung sind
auch die Oberflächenbeschaffenheit
wie Rauhtiefe, die Veränderungen
vom Gefüge
des Werkstoffes durch die Bearbeitung (z. B. „Recast Layer”) sowie
Risse oder Poren in der Oberfläche
des Bauteils zu verstehen. Die hierdurch ermittelten Messergebnisse
werden sowohl bei der Qualitätssicherungen
von Neuteilen („First
Article Inspection”,
Prozessabsicherung der Produktion) als auch bei der Entwicklung
neuer Bauteiltypen benötigt.
Durchstrahlende Vermessungsverfahren – wie beispielsweise die Computertomographie – ermöglichen
grundsätzlich
eine Erfassung des Bauteils als Volumen. Die Auswertung der hierdurch
ermittelten Messdaten liefert Hinweise auf die Maße, die
Form und die Eigenschaften des Bauteils wie z. B. Rissfreiheit und
Oberflächenrauhigkeit
der Kühlluftbohrung.
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Viele
Werkstoffe, die bei Bauteilen für
thermische Strömungsmaschinen
zum Einsatz kommen, lassen sich jedoch nur schwer durchstrahlen,
so dass die Strahlungsquelle des durchstrahlenden Vermessungssystems
mit hoher Leistung betrieben werden muss. Dies bedeutet beispielsweise
bei Computertomographie-Systemen die Verwendung hoher Röhrenspannungen.
Die hohen Röhrenspannungen
führen
jedoch zu einem großen
Brennfleck der Röntgenröhre, wodurch
sich eine erhebliche Reduzierung der geometrischen Auflösung ergibt.
Eine reduzierte geometrische Auflösung führt dementsprechend zu unge naueren
Messergebnissen und ungenaueren Aussagen über die Beschaffenheit des
Bauteils bzw. seiner Kühlluftbohrung.
Weitere Probleme ergeben sich dadurch, dass die Abmessungen von
Kühlluftbohrungen
in Relation zum gesamten Strahlweg durch das Bauteil sehr klein
sind. Beispielsweise betragen die Durchmesser von Kühlluftbohrungen üblicherweise zwischen
0,3 mm und 1 mm. Typische Abmessungen von Bauteilen für Flugzeugtriebwerke
betragen demgegenüber
zwischen 1 cm und 10 cm. Die geometrischen Toleranzen bei Kühlluftbohrungen
liegen dabei im hundertstel Millimeterbereich – typischerweise bei etwa ±0,05 mm –, die Winkeltoleranzen
ihrer Bohrungsachsen betragen etwa ±1–2 Grad, so dass bereits vergleichsweise
geringe geometrische Abweichungen der Kühlluftbohrungen als nicht-tolerierbar eingestuft
werden müssen.
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Die
von den Kühlluftbohrungen
beim Durchstrahlen erzeugten Änderungen
der Strahlungsintensität
sind aufgrund ihrer geringen Abmessungen im Vergleich zum gesamten
Bauteil vergleichsweise gering. Kleine Defekte wie z. B. Risse oder
Poren erfordern jedoch Vermessungsverfahren und entsprechende Vermessungssysteme,
die mindestens um einen Faktor 10 genauer sind als die Toleranzen
und damit geometrische Details im Bereich von ±0,005 mm auflösen müssen. Gleiches
gilt für
die Messung von Winkeltoleranzen. Die hohen, für die Durchstrahlung des Bauteils
benötigten
Röhrenspannungen verbunden
mit einem großen
Brennfleck und einer Verringerung der Auflösung stehen der Forderung nach
hoher Detailauflösung
für hohe
Mess- und Prüfgenauigkeit
jedoch diametral gegenüber.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum durchstrahlenden
Vermessen zumindest eines Teilbereichs eines Bauteils für eine Strömungsmaschine
sowie ein entsprechendes Vermessungssystem bereitzustellen, welche
eine verbesserte Detailauflösung
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gemäß Patentanspruch
1 zum durchstrahlenden Vermessen zumindest eines Teilbereichs eines
Bauteils für
eine Strömungsmaschine sowie
durch ein Vermessungssystem gemäß Patentanspruch
15 zur Durchführung
des Verfahrens gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen des Vermessungssystems
und umgekehrt anzusehen sind.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
durchstrahlenden Vermessen zumindest eines Teilbereichs eines Bauteils
für eine
Strömungsmaschine,
insbesondere für
eine thermische Gasturbine, werden zumindest die Schritte a) Auswählen des Teilbereichs
des Bauteils, b) Ermitteln einer relativen räumlichen Lage des Teilbereichs
bezüglich
des Bauteils c) Trennen des Teilbereichs aus dem Bauteil und d)
Vermessen zumindest eines Teils des Teilbereichs mittels eines durchstrahlenden
Vermessungssystems durchgeführt.
Dies ermöglicht
es, den Zielkonflikt zwischen Durchstrahlung des Bauteilmaterials und
möglichst
hoher Detailauflösung
aufzulösen.
Mit anderen Worten wird der Teilbereich nach seiner Auswahl aus
dem Bauteil herausgetrennt, so dass die Vermessung des Bauteils
in Teilen und von der Ermittlung der Geometrie und Eigenschaften
der Kühlluftbohrung
getrennt erfolgt. Des Trennen kann beispielsweise mittels Drahtschneiden,
Laserschneiden und/oder Wasserstrahlschneiden durchgeführt werden.
Jedoch sind grundsätzlich
auch andere geeignete Trennverfahren denkbar. Die Form des Teilbereichs
und die sonstigen Verfahrensparameter werden vorzugsweise derart
gewählt,
dass der zu vermessende Teil zumindest weitgehend unbeeinflusst
bleibt. Der zerstörende
Trennschritt ist in der Regel für
das Erstellen von Schliffen im Rahmen der Bauteilerprobung und der
Bauteilzulassung ohnehin notwendig. Durch die verkleinerten Abmessungen des
Teilbereichs im Vergleich zum ursprünglichen Bauteil kann ein entsprechend
geringer dimensioniertes Vermessungssystem mit verbesserter Auflösung verwendet
werden. Dies ermöglicht
wiederum eine hochauflösende
Durchstrahlung und detailreiche Vermessung des Teilbereichs, wodurch
neben den geometrischen Abmessungen des Teilbereichs auch Aussagen über und
die Lage, Orientierung und Ausgestaltung von Kühlluftbohrungen sowie über die Oberflächenbeschaffenheit
und Rauhtiefe des Teilbereichs möglich
sind. Ebenso kann geprüft
werden, ob zulässige
Veränderungen
vom Gefüge
oder unzulässige
Defekte wie Risse oder Poren vorliegen.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Teilbereich in Schritt
a) in Abhängigkeit
der Durchstrahlungseigenschaft des Vermessungssystems ausgewählt wird
und/oder derart ausgewählt wird,
dass der Teilbereich nach dem Trennen außerhalb seines zu vermessenden
Teils in einer Haltevorrichtung des Vermessungssystems einspannbar
ist. Hierdurch ist zuverlässig
sichergestellt, dass die Anordnung des Teilbereichs im Vermessungssystem
die eigentliche Vermessung und damit die Qualität der hierdurch erhaltenen
Messwerte nicht behindert.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn der Teilbereich derart ausgewählt wird,
dass Strahlenwege einer Strahlungsquelle des Vermessungssystems durch
den Teilbereich minimiert und/oder zumindest überwiegend homogen sind. Dies
stellt eine einfache Möglichkeit
dar, eine hohe Messqualität
und Detailauflösung
zu erreichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass in Schritt b) die relative räumliche Lage des Teilbereichs
bezüglich eines
Bezugssystems des Bauteils und/oder bezüglich eines externen Bezugssystems
ermittelt wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Lage des
zu vermessenden Teilbereichs relativ zum Bauteil auch nach dem Heraustrennen
eindeutig bestimmbar ist und die durch das Vermessen erhaltenen
geometrischen Informationen rekonstruierbar und dem ursprünglichen
Bauteil zuordenbar sind.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem die relative räumliche Lage des Teilbereichs
anhand von wenigstens zwei Referenzbohrungen des Bauteils und einem
vorbestimmten Referenzpunkt auf der Oberfläche des Bauteils ermittelt
wird. Dies stellt eine einfache und variable Möglichkeit dar, die Lage der beim
Vermessen erhaltenen Messwerte eindeutig im Raum zu definieren.
Als Referenzbohrungen können dabei
grundsätzlich
ohnehin vorhandene Bohrungen wie Kühlluftbohrungen verwendet werden,
wenn deren Genauigkeit ausreichend ist. Alternativ kann vorgesehen
sein, dass zusätzlich
in das Bauteil bzw. den Teilbereich eingebrachte Bohrungen wie beispielsweise
Passbohrungen als Referenzbohrungen verwendet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zum Ermitteln der relativen räumlichen Lage des Teilbereichs
eine Bohrungsachse wenigstens einer Bohrung und/oder ein Durchstoßpunkt einer
Bohrungsachse einer Bohrung mit einer Außen- und/oder Innengeometrie
des Teilbereichs und/oder eine Bohrungslänge einer Bohrung berücksichtigt
wird. Dies ermöglicht
es, die Lage und Ausprägung
einer zu vermessenden Bohrung zum verwendeten Bezugssystem besonders
exakt zu bestimmen. Die Bohrung kann dabei beispielsweise eine Kühlluftbohrung
oder eine Referenzbohrung sein. Referenzbohrungen können beispielsweise
in den Teilbereich eingebracht werden, wenn vorhandene Kühlluftbohrungen
aufgrund ihrer Ausgestaltung – beispielsweise
unrunde Bohrungen oder kurze Zylinderlänge bei Trichterbohrungen – für diesen
Zweck ungeeignet sind.
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In
weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn
wenigstens eine Kühlluftbohrung
des Bauteils als Referenzbohrung verwendet wird, wodurch auf das
Einbringen zusätzlicher
Referenzbohrungen verzichtet werden kann. Die Kühlluftbohrung sollte dabei
natürlich
eine ausreichende Genauigkeit aufweisen, um als Referenzbohrung
geeignet zu sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Referenzpunkt derart gewählt wird, dass er nach dem
Trennen des Teilbereichs aus dem Bauteil über die Referenzbohrungen wieder
ermittelbar ist, da hierdurch die Zuordnung der beim Vermessen gewonnenen
Messwerte verbessert und erleichtert wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem der Referenzpunkt als Mittelpunkt zwischen
den Bohrungsachsen der Referenzbohrungen gewählt wird, wenn die Bohrungsachsen
parallel sind. Dies ermöglicht eine besonders
zuverlässige
Ermittlung des Referenzpunktes auch nach dem Heraustrennen des Teilbereichs
aus dem Bauteil.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft
gezeigt, wenn vor dem Ermitteln der relativen räumliche Lage des Teilbereichs wenigstens
eine Referenzbohrung derart in das Bauteil eingebracht wird, dass
bereits vorhandene Bohrungen, insbesondere Kühlluftbohrungen, des Bauteils
unbeeinflusst bleiben. Mit anderen Worten wird die Referenzbohrung
derart in den Teilbereich eingebracht, dass keine nachteilige Beeinflussung
des Vermessungsergebnisses gegeben ist. In der Regel wird die Referenzbohrung
hierzu zweckmäßigerweise
mit ausreichendem Abstand zum zu vermessenden Teil des Teilbereichs
bzw. zum zu vermessenden Kühlluftbohrungen
in den Teilbereich eingebracht. Das Einbringen zusätzlicher
Bohrungen ist dabei insbesondere in den Fällen vorteilhaft, in denen
bereits vorhandene Bohrungen, beispielsweise Kühlluftbohrungen, nicht die
erforderliche Genauigkeit aufweisen, um als Referenzbohrungen dienen
zu können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass in Schritt d) eine relative räumliche Lage einer Kühlluftbohrung
des Teilbereichs und/oder relative räumliche Lage eines Trichters
einer Kühlluftbohrung
des Teilbereichs bezüglich
einer Referenzbohrung und/oder dem Referenzpunkt ermittelt wird,
wenn die Kühlluftbohrung selbst
keine Referenzbohrung ist. Dies erlaubt besonders präzise Aussagen über die
Qualität,
Lage und Ausprägung
unterschiedlicher Arten von Kühlluftbohrungen,
wodurch entsprechend fundierte Aussagen über die Qualität des Bauteils
möglich
werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn in Schritt d) ein hochauflösendes Vermessungssystem und/oder
ein einen Computertomograph umfassendes Vermessungssystem und/oder
ein Vermessungssystem mit einer Röntgenröhre, welche einen möglichst
kleinen Brennfleck erzeugt, verwendet wird. Aufgrund der geringeren
Ausmaße
des Teilbereichs kann dabei eine Strahlungsquelle – beispielsweise
eine Röntgenröhre – mit einem
vergleichsweise kleinen Brennfleck ver wendet und mit verringerter Röhrenspannung
betrieben werden. Große
Intensitätsunterschiede
und ein sehr kleiner Brennfleck bei Röntgenröhren begünstigen eine hohe Auflösung, die
wiederum genaue Messergebnisse ermöglicht. Hierdurch ist eine
erhebliche Verbesserung der Detailauflösung bei der Vermessung des
Teilbereichs gegeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass in Schritt d) eine Oberflächenbeschaffenheit
des Teilbereichs, insbesondere eine Rauhtiefe, und/oder eine Geometrie
eines Defekts, insbesondere eine Rissgeometrie und/oder eine Porengeometrie,
und/oder eine Geometrie wenigstens einer Kühlluftbohrung des Teilbereichs
ermittelt wird. Auf diese Weise sind fundierte und zuverlässige Aussagen über die
Bauteilqualität möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Teilbereich mehrfach vermessen wird und/oder dass mehrere und/oder
alle Teilbereiche des Bauteils vermessen werden und/oder dass mehrere
einander entsprechende Teilbereiche mehrerer Bauteile vermessen werden.
Hierdurch können
aus einander entsprechenden Messwerten ein Mittelwert sowie weitere statistische
Kenngrößen wie
Standardabweichung und Range abgeleitet werden, wodurch die Messqualität zusätzlich gesteigert
wird. Weiterhin sind hierdurch Aussagen zur Messmittelqualität, d. h.
zur Eignung des verwendeten Vermessungssystems möglich.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Vermessungssystem, welches
zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
ausgebildet ist und eine Strahlungsquelle, mittels welcher ein Teilbereich
eines Bauteils zu durchstrahlen ist, und eine Detektionseinrichtung
zum Detektieren von durch den Teilbereich durchtretenden Strahlen
der Strahlungsquelle umfasst. Die sich hieraus ergebenden Merkmale
und Einzelheiten sowie deren Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen
zu entnehmen.
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Dabei
hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn das Vermessungssystem
zur Vermessung zumindest des Teilbereichs eines als Rotorschaufel
ausgebildeten Bauteils ausgebildet ist. Unter einer Rotorschaufel
kann dabei grundsätzlich
eine Turbinenschaufel und/oder eine Verdichterschaufel verstanden
werden. Hierdurch können
die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Vermessungssystems
erzielbaren Vorteile für
sicherheitsrelevante Triebwerkskomponenten verwirklicht werden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den
Ausführungsbeispielen
und den Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Die vorstehend in der
Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie
die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Dabei zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt eines als Turbinenschaufel für eine thermische
Strömungsmaschine
ausgebildeten Bauteils;
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2 eine
schematische Aufsicht des in 1 gezeigten
Bauteils;
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3 eine
schematische Perspektivansicht eines aus dem Bauteil getrennten
Teilbereichs gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel;
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4 eine
schematische Perspektivansicht eines aus dem Bauteil getrennten
Teilbereichs gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel;
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5 eine
schematische Aufsicht eines aus dem Bauteil getrennten Teilbereichs
gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel;
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6 eine
schematische Aufsicht eines aus dem Bauteil getrennten Teilbereichs
gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel;
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7 eine
schematische Aufsicht eines aus dem Bauteil getrennten Teilbereichs
gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
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8 eine
schematische Schnittansicht eines aus dem Bauteil getrennten Teilbereichs
gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel;
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9 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Vermessungssystems, mittels
welchem der Teilbereich gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
vermessen wird; und
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10 eine
weitere Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Vermessungssystems, mittels welchem
der Teilbereich gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
vermessen wird.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines als Turbinenschaufel für eine thermische
Strömungsmaschine
ausgebildeten Bauteils 10 und wird im Folgenden in Zusammenschau
mit 2 erläutert
werden, welche ihrerseits eine schematische Aufsicht des in 1 gezeigten
Bauteils 10 zeigt. Das Bauteil 10 besitzt eine
Außen-
und eine Innengeometrie 12a bzw. 12b sowie mehrere
Kühlluftbohrungen 14.
Die Kühlluftbohrungen 14 besitzen verschiedene
Ausprägungen,
wobei ihre Bohrungsachsen A jeweils einen Durchstoßpunkt 16a mit
der Außen-
und einen Durchstoßpunkt 16b mit
der Innengeometrie 12b aufweisen. Die Kühlluftbohrungen 14 haben
allgemein einen geringen Abstand untereinander, gehen unter verschiedenen
Winkeln in das Bauteil 10 und liegen teilweise nahe an
Wandgeometrien. Toleranzen an der Außengeometrie 12a (z.
B. Airfoil) und an der Innengeometrie 12b (z. B. Cavity
bzw. Kern) als auch der Versatz von beiden zueinander machen eine
prozessstabile Fertigung schwierig. Erschwerend kommt hinzu, dass
die Toleranzen der Außen geometrie 12a ein
Verschieben, Verdrehen und Kippen des Bauteils 10 bewirken,
was Einfluss auf die Lage und Ausprägung der Kühlluftbohrungen 14 hat.
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An
Kühlluftbohrungen 14,
insbesondere an Formbohrungen wie Shaped Holes oder Turbulent Holes,
werden hohe Anforderung hinsichtlich Lage und Ausprägung gestellt,
um die spezifizierte Kühlleistung
für das
Bauteil 10 zu erreichen. Wenn diese Kühlleistung zum Beispiel aufgrund
einer unzureichend ausgebildeten Trichterform zu gering ist, so kann
dies zu einer Aufheizung des Bauteils 10 führen. Daher
ist die genaue Kenntnis der Ist-Geometrie von Kühlluftbohrungen 14 sowohl
bei der Neuteilfertigung als auch im Maintenance, Repair und Overhaul
(MRO) von zentralem Interesse.
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Ein
Vermessen der Kühlluftbohrungen 14 erfordert
es, ihre aktuelle Lage und Ausprägung
zu ermitteln. Unter Ausprägung
fallen auch die Oberflächenbeschaffenheit
des Bauteils 10 wie etwa seine Rauhtiefe, die Veränderungen
vom Gefüge
des Werkstoffes durch Bearbeitungsschritte wie Recast Layer sowie
etwaige Risse und Poren. Diese Informationen werden sowohl bei der
Qualitätssicherungen
von Neuteilen (First Article Inspection) als auch für die Prozessabsicherung
bei der Produktion dieser Bauteile 10 benötigt.
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Durchstrahlende
Verfahren wie beispielsweise die Computertomographie ermöglichen
eine Erfassung des Bauteils 10 als Volumen. Die Auswertung
dieses Volumens liefert Hinweise auf die Maße, die Form und die Eigenschaften
wie z. B. Rissfreiheit, Oberflächenrauhigkeit
und Ausprägung
der Kühlluftbohrungen 14.
Viele Werkstoffe, die bei derartigen Bauteilen 10 für thermische
Gasturbinen zum Einsatz kommen, lassen sich jedoch nur schwer durchstrahlen.
Zum Durchstrahlen ist daher eine hohe Leistung erforderlich, die
z. B. bei der Computertomographie mit einer hohen Röhrenspannung
einhergeht. Die hohe Röhrenspannung
geht oft einher mit einem großen
Brennfleck der Röntgenröhre, was
eine Reduzierung der geometrischen Auflösung bedeutet. Eine reduzierte
geometrische Auflösung
führt jedoch
zu ungenaueren Maßen
und zu ungenaueren Aussagen zur Beschaffenheit des Bauteils 10 und
seiner Kühlluftbohrungen 14.
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Die
Abmessungen von Kühlluftbohrungen 14 sind
vergleichsweise klein in Relation zum gesamten Strahlweg durch den
Werkstoff des Bauteils 10. Die Durchmesser der gezeigten
Kühlluftbohrungen 14 bewegen
sich zwischen 0,3 mm–1
mm. Das Bauteil 10 besitzt demgegenüber eine Abmessung zwischen 1
cm und 10 cm. Die von den Kühlluftbohrungen 14 beim
Durchstrahlen erzeugten Änderungen
der Strahlungsintensität
sind deshalb gering. Die geringen Toleranzen bei Kühlluftbohrungen 14,
die typischerweise im Bereich hundertstel Millimeter – typisch
ca. ±0,05
mm – liegen,
und die geringe Größe von Defekten
wie z. B. Risse oder Poren im Bauteil 10 erfordern Vermessungssysteme,
die mindestens um einen Faktor 10 genauer sind als die Toleranzen, d.
h. kleiner als ca. ±5
Mikrometer. Die Toleranzen bei den Winkeln der Kühlluftbohrungen 14 von ±1 bis
2 Grad ergeben aufgrund der kleinen Abmessungen sehr geringe geometrische
Abweichungen.
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Die
Forderung nach hoher Detailauflösung und
hoher Mess- und Prüfgenauigkeit
wird dadurch erreicht, dass zunächst
ein Teilbereich 18 des Bauteils 10 ausgewählt und
seine Lage relativ zum Bauteil 10 ermittelt wird. Anschließend wird
der Teilbereich 18 aus dem Bauteil 10 herausgetrennt
und mittels eines Vermessungssystems 20 (s. 9)
vermessen. 3 zeigt hierzu eine schematische
Perspektivansicht eines aus dem Bauteil 10 getrennten Teilbereichs 18 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel.
R kennzeichnet hierbei die Blickrichtung, die vorliegend parallel
zur Richtung der Bohrungsachsen A der Kühlluftbohrungen 14 verläuft. Mit
anderen Worten wird die Lagebestimmung der Kühlluftbohrung 14 von
der Ermittlung der Geometrie und der Eigenschaften der Kühlluftbohrung 14 getrennt.
Die Lagebestimmung erfolgt in im Folgenden näher erläuterter Weise im Bauteil 10 zu
ein einem definierten Bezugssystem 22 über definierte Geometrieelemente.
Die Ermittlung der Geometrie und der Eigenschaften der Kühlluftbohrungen 14 erfolgt
am Teilbereich 18, der nach seiner Auswahl vom Bauteil 10 getrennt wird.
Dieser zerstörende
Eingriff ist in der Regel für das
Erstellen von Schliffen im Rahmen der Bauteilerprobung und der Bauteilzulassung
ohnehin notwendig. Dieser zerstörende
Eingriff ist weiterhin not wendig, wenn zulässige Veränderungen im Gefüge oder tolerierbare
Risse im Bauteil 10 ermittelt werden sollen.
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Die
Ermittlung der Lage der Kühlluftbohrungen 14 erfolgt – wie in 3 erkennbar – zu einem definierten
Bezugssystem 22. Dieses kann beispielsweise das Basissystem
des Bauteils 10 sein. Eine zylindrische Kühlluftbohrung 14 kann über zwei
Winkel (Dreh- und Schwenkwinkel), der Bohrungslänge und der Richtung der Bohrungslänge eindeutig
im Raum definiert werden. Hierzu werden beispielsweise die Schritte
Festlegen der Orientierung der Bohrungsachse A, des Durchstoßpunkts 16a der
Bohrungsachse A mit der Außengeometrie 12a und
Ermitteln des Beginns der Bohrungsachse A durchgeführt. Eine
eindeutige Definition im Raum ist auch über den Durchstoßpunkt 16a der
Bohrungsachse A mit der Außengeometrie 12a und über den
Durchstoßpunkt 16b der
Bohrungsachse A mit der Innengeometrie 12b möglich. Der
verbliebene Freiheitsgrad „Rotation um
die Bohrungsachse” kann
bei zylindrischen Bohrungen aufgrund der Rotationssymmetrie bestehen bleiben.
Wenn aber Abweichungen wie z. B. Auswaschungen, Risse und dergleichen
von ihrer Lage her eindeutig definiert werden sollen, so ist diese
Lage anhand eines weiteren Merkmals wie z. B. einer anderen Bohrung 14 festzulegen,
deren Lage im Raum zum Bezugssystem 22 bekannt ist. Bei
dieser anderen Bohrung 14 kann es sich um eine Referenzbohrung 14', eine Kühlluftbohrung 14 oder
eine sonstige Bohrung 14 handeln. Bei einer Kühlluftbohrung 14 mit
Trichter ist die Orientierung des Trichters gegenüber dem
Bezugssystem 22 ebenfalls durch ein weiteres Merkmal zu
ermitteln. Bei einer Trichterbohrung 14 mit einem um die
Bohrungsachse A rotationssymmetrischen Trichter ist analog wie bei
einer Zylinderbohrung 14 zu verfahren. Unrunde Kühlluftbohrungen 14 wie
z. B. Langlochbohrungen 14 mit oder ohne aufgesetztem Trichter
sind wie Trichterbohrungen 14 ohne rotationssymmetrischen
Trichter zu behandeln. Über
zwei Bohrungsachsen A, von welchen die erste die Lage im Raum und
die zweite die Lage der Drehung um die Bohrungsachse A definiert,
einem definierten Referenzpunkt P auf der Außen- oder Innengeometrie 12a bzw. 12b des
Bauteils 10, welcher die Lage der Verschiebung auf der
Bohrungsachse A definiert, und der Information, ob die Bohrung 14 in
Richtung zum Bezugssys tem vom Referenzpunkt P auf der Oberfläche oder
in die Gegenrichtung läuft,
kann jede Kühlluftbohrung 14 eindeutig im
Raum definiert werden.
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Wenn
die vorhanden Kühlluftbohrungen 14 für diese
Aufgabe unpassend sind – z.
B. bei unrunden Bohrungen 14, zu kurzen Zylinderlängen im
Fall von Trichterbohrung 14 und dergleichen – werden
als Referenzbohrungen zylindrische Bohrungen 14' bzw. Passbohrungen 14' – beispielsweise über elektrochemisches
Feinbohren, Erodieren oder Laserbohren – in das Bauteil 10 eingebracht.
Diese zylindrischen Bohrungen 14' werden vorzugsweise so klein wie
möglich
ausgebildet, um die Abmessungen des Teilbereiches 18, der
vom Bauteil 10 herausgetrennt werden soll, ebenfalls möglichst
klein halten zu können.
Der Referenzpunkt P auf der Oberfläche wird vorzugsweise so gewählt, dass
er über
die beiden Bohrungsachsen A definiert ist. Beispielsweise wird der
Referenzpunkt P als Mittelpunkt auf dem Abstand zwischen den beiden
Bohrungsachsen A gewählt,
so dass er auch nach dem Trennen des Teilbereichs 18 vom
Bauteil 10 noch eindeutig bestimmbar ist.
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Die
Prozessparameter und die Lage der Pass- bzw. Referenzbohrungen 14', wenn solche
eingebracht werden müssen,
werden so gewählt,
dass die Kühlluftbohrungen 14 hiervon
unbeeinflusst oder irrelevant beeinflusst bleiben, beispielsweise
durch eine Wärmeeinflusszone,
Verformung durch Kräfte oder
dergleichen. Wenn Passbohrungen 14' eingebracht werden müssen, hängt deren
Lage ebenfalls von der Geometrie des Teilbereichs 18 ab.
Beispielsweise ist es wichtig, ob der Teilbereich 18, der
aus dem Bauteil 10 herausgetrennt werden soll, einzelne Kühlluftbohrungen 14,
eine Reihe mit Kühlluftbohrungen 14 oder
eine Gruppe von Kühlluftbohrungen 14 aufweist
(3). Von den Referenzbohrungen 14' für den Bezug
zum Bezugssystem 22 und vom Referenzpunkt P auf der Oberfläche der
Außengeometrie 12a wird
die Lage der Bohrungsachse A im Raum zum Bezugssystem 22 ermittelt.
Ebenso wird die Bohrungsrichtung der einzelnen Bohrungen 14 zum Bezugssystem 22 ermittelt.
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Die
Passbohrungen 14' dienen
in der Folge als Bezugsbohrungen 14'. Als Bezugsbohrungen 14' werden im Folgenden
diejenigen Bohrungen 14 bezeichnet, die für den Bezug
zum Bezugssystem 22 verwendet werden. Es können Kühlluftbohrungen 14, Passbohrungen 14', oder eine
Kombination von Kühlluftbohrungen 14 und
Passbohrungen 14' sein. Mit
dem Begriff „Bezugselemente” sind im
Folgenden diejenigen geometrischen Elemente – z. B. zwei Passbohrungen 14', der Referenzpunkt
P auf der Außengeometrie 12a,
die Richtung einer Bohrung 14 – bezeichnet, die verwendet
werden, um den Bezug des Teilbereiches 18 zum Bezugssystem 22 herzustellen.
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Die
Bohrungsdurchmesser der Bezugsbohrungen 14 werden gemessen,
um überprüfen zu können, ob
das Heraustrennen des Teilbereiches 18 einen Einfluss auf
die Bohrungen 14 genommen hat. Je stabiler und genauer
die Lage der Bohrungsachsen A der Bezugsbohrungen 14 ermittelt
werden kann, desto genauer kann die Orientierung des Trichters auf
dem Bauteil 10 ermittelt werden. Wenn die Messunsicherheit
für die
Ermittlung der Maße
der Bezugselemente unbekannt ist, dann sollten die Maße der Bezugselemente
zum Bezugssystem 22 mehrfach gemessen werden, um eine Aussage
zur Stabilität
des Messverfahrens zu erhalten. Das Verfahren der Lagebestimmung über geometrische
Elemente zum Bezugssystem 22 funktioniert auch mit anderen geometrischen
Elementen, wenn diese die Lage der Kühlluftbohrung 14 mit
ausreichender Genauigkeit beschreiben.
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Sobald
die Lage des Teilbereiches 18, der vom Bauteil 10 herausgetrennt
werden soll, über
die Bezugselemente zum Bezugssystem 22 ermittelt wurde,
wird der Teilbereich 18 aus dem Bauteil 10 herausgetrennt.
Dies kann beispielsweise über
Drahtschneiden, Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden erfolgen.
Die Form des Teilbereiches 18 und die Prozessparameter
werden so gewählt,
dass die Bezugs- und Kühlluftbohrungen 14' bzw. 14 unbeeinflusst
bleiben oder nur irrelevant beeinflusst werden. Weiterhin wird die
Form des Teilbereiches 18 so gewählt, dass die Strahlwege einer
Strahlungsquelle 24 (s. 9) des Vermessungssystems 20 durch
den Werkstoff minimiert werden und möglichst homogen sind. Die 4–8 zeigen
hierzu schematische Ansichten verschiedener Ausführungs beispiele für derart
optimierte Teilbereiche 18 des Bauteils 10. Die
in 5 und 6 dargestellten Teilbereiche 18 umfassen
jeweils zwei Bezugsbohrungen 14' und einen Referenzpunkt P für die Lagebestimmung
sowie eine Kühlluftbohrung 14 mit
Trichter 15. Der in 7 dargestellte
Teilbereich 18 umfasst ebenfalls zwei Bezugsbohrungen 14' und einen Referenzpunkt
P für die
Lagebestimmung sowie eine als Langloch ausgebildete Kühlluftbohrung 14 mit
Trichter 15. In 8 ist eine schematische Schnittansicht eines
Teilbereichs 18 gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
dargestellt, wobei neben einer als Langloch ausgebildeten Kühlluftbohrung 14 mit Trichter 15 insbesondere
der reduzierte Strahlungsweg mit Pfeil VIII gekennzeichnet ist.
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Die
Kühlluftbohrungen 14 sind
somit wesentlich größer in Relation
zu den Abmessungen des abgetrennten Teilbereiches 18 als
in Relation zu den Abmessungen des ursprünglichen Bauteils 10.
Der Teilbereich 18 wird vorzugsweise vor oder nach dem Heraustrennen
so gekennzeichnet, dass er dem Bauteil 10 wieder eindeutig
zugeordnet werden kann. Die Durchmesser der Bezugsbohrungen 14 werden bei
Bedarf gemessen. Wenn eine signifikante Abweichung zu den Messwerten
vor dem Heraustrennen besteht, ist der Teilbereich 18 untauglich
oder nur eingeschränkt
tauglich für
die Ermittelung der Orientierung, der Abmessungen, der Oberflächenbeschaffenheit
und der sonstigen Eigenschaften wie z. B. Risse der Trichterbohrung 14.
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Bei
Bedarf können
aus mehreren Bauteilen 10 die einander entsprechende Teilbereiche 18 herausgetrennt
werden. Hierdurch ergeben sich mehrere Messwerte für das gleiche
Abmaß der
Kühlluftbohrungen 14.
Aus diesen kann ein Mittelwert gebildet werden. Das Maß, das bei
der konstruktiven Ausgestaltung der Kühlluftbohrungen 14 verwendet
wird, basiert in diesem Fall auf einer breiteren Datenbasis. Es
kann auch auf der Basis von einem Bauteil aufgesetzt werden.
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Alle
Kühlluftbohrungen 14,
die einer Prüfung unterzogen
werden sollen, werden einem Teilbereich 18 zugeordnet,
der vom Bauteil 10 herausgetrennt wird. Die Teilbereiche 18,
die aus dem Bauteil 10 bzw. den Bauteilen 10 herausgetrennt
wurden, ermöglichen
aufgrund der verringerten Abmessungen gegenüber dem Bauteil 10 eine
räumlich
hochauflösende
Durchstrahlung.
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9 und 10 zeigen
Prinzipdarstellungen des erfindungsgemäßen Vermessungssystems 20,
mittels welchem die unterschiedlichen Teilbereiche 18 vermessen
werden. Das Vermessungssystem 20 umfasst dabei die Strahlungsquelle 24,
mittels welcher der jeweils um die Achse D drehbar im Strahlengang
angeordnete Teilbereich 18 zu durchstrahlen ist. Der Teilbereich 18 wird
dabei durch eine nicht dargestellte Haltevorrichtung gehalten und
bewegt. Der Strahlungsquelle 24 gegenüber ist eine Detektionseinrichtung 26 zum
Detektieren der durch den Teilbereich 18 des Bauteils 10 durchtretenden
Strahlungsintensität
und zum Aufnehmen von Bildern angeordnet. Die Rotation wird so gewählt, dass
die Strahlwege durch den Teilbereich 18 für die jeweilige Messung
optimiert sind. Ziel ist es in der Regel, minimale Strahlwege durch
das Material des Teilbereiches 18 zu erzielen, um optimale
Sichtbarkeit von Rissen und eine optimale Abbildung der Geometrie zu
erhalten.
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Jeder
Teilbereich 18 wird einzeln vermessen. Aus den hierdurch
gewonnenen Volumendaten werden die Abmessungen der Kühlluftbohrungen 14,
die Rauhtiefe der Oberfläche
der Kühlluftbohrung 14 sowie
die Lage und Größe von Rissen
und Poren ermittelt. Ebenso wird die Orientierung der Kühlluftbohrungen 14 zu
den geometrischen Bezugselementen und die Orientierung ihrer Trichter 15 zu
den Bezugselementen ermittelt, wenn die Kühlluftbohrung 14 selbst kein
Bezugselement ist, da über
die Bezugselemente die Lage der Kühlluftbohrung 14 im
Bauteil definiert ist. Wenn die Teilbereiche 18, die aus
dem Bauteil 10 bzw. den Bauteilen 10 herausgetrennt
wurden, mehrfach einer hochauflösenden
Durchstrahlung unterzogen werden und die Volumendaten mehrfach ausgewertet
werden, dann ergeben sich mehrere Messwerte pro Maß. Hieraus
kann ein Mittelwert gebildet und im Hinblick auf statistische Kenngrößen wie Standardabweichung
und Range bewertet werden. Die hierdurch erhaltenen Daten stehen
dann auf einer breiteren Basis. Wenn mehrere Werte zur Ver fügung stehen,
kann bei Bedarf auch eine Aussage zur Messmittelfähigkeit
gemacht werden.