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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zumindest abschnittsweisen, bevorzugt vollständigen Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie eines Bauteils mit wenigstens einem Hohlraum.
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Derzeit stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, um die äußere dreidimensionale Geometrie eines Bauteils messtechnisch zu bestimmen. Es ist beispielsweise möglich, einen 3D-Scan durchzuführen, bei dem eine Abtastung der Bauteiloberfläche, bevorzugt mit Licht erfolgt. Dabei kann strukturiertes Licht oder Laser zum Einsatz kommen, das auf das zu vermessende Bauteil gerichtet wird. Aus einem von der Bauteiloberfläche reflektierten Anteil des Lichtes kann dann insbesondere über Triangulation auf Punkte auf der Bauteiloberfläche geschlossen werden. Rein beispielhaft sei im Zusammenhang mit 3D-Scan-Verfahren zur Bestimmung der äußeren Geometrie eines Bauteils auf die
DE 10 2008 048 963 A1 und den darin erörterten Stand der Technik verwiesen. Die innere Geometrie eines Bauteils mit wenigstens einem Hohlraum kann mittels 3D-Scan nicht erfasst werden.
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Informationen über die Form eines hohlen Bauteils können durch eine ultraschallbasierte Wandstärkenmessung erhalten werden. Hierfür werden in hinlänglich bekannter Weise Ultraschallwellen in das zu untersuchende Bauteil eingekoppelt, an Übergängen reflektierte Anteile erfasst und über den Laufzeitunterschied wird auf eine Wandstärke geschlossen.
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Ferner ist es möglich, sowohl die äußere als auch die innere Geometrie eines Bauteils mit einem oder mehreren Hohlräumen mittels Röntgen-Computertomographie (englisch: X-Ray CT) zu bestimmen. Aus der
DE 10 2008 020 948 A1 beispielsweise geht ein Röntgen-Computertomograph und ein Verfahren zur Untersuchung eines Bauteils mittels Röntgencomputertomographie hervor. Hierbei besteht jedoch die Problematik, dass die Auflösung durch die Gesamtdicke des durchleuchteten Materials beschränkt ist, diese konkret mit zunehmender Dicke sinkt. Ist ein Bauteil asymmetrischer Geometrie und/oder mit variierender Wandstärke zu vermessen, beispielsweise eine Turbinenschaufel, liegen infolge dessen für verschiedene Abschnitte des Bauteils Messdaten unterschiedlich guter Auflösung vor. Dies führt mitunter dazu, dass einige Abschnitte eines Bauteils mit einer für eine konkrete Anwendung, beispielsweise eine Qualitätsprüfung, ausreichender Genauigkeit vermessen werden können, andere jedoch nicht. Eine Erhöhung der Röntgenenergie, welche eine Transmission der Strahlung beispielsweise auch durch die längsten Abschnitte einer Turbinenschaufel sicherstellen könnte, stellt keine Lösung dar, da eine solche zu einem Verlust der Signalsensitivität führt und somit wiederum zu einer Abnahme der Auflösung und somit Genauigkeit.
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Gegenwärtig existiert kein Verfahren, das es ermöglicht, für alle Bauteilgrößen sowohl die äußere als auch die innere Geometrie eines Bauteils mit wenigstens einem Hohlraum mit für sämtliche Bauteilbereiche guter Auflösung, dies auch im Falle komplexer Bauteilgeometrie zu erfassen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangsgenannten Art anzugeben, mit denen die innere und die äußere Geometrie eines Bauteils mit wenigstens einem Hohlraum mit für alle Bauteilbereiche bzw. -abschnitte guter Auflösung auch für Bauteile komplexer Form zuverlässig bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur zumindest abschnittsweisen, bevorzugt vollständigen Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie eines Bauteils mit wenigstens einem Hohlraum, bei dem
- - ein zu vermessendes Bauteil mit wenigstens einem Hohlraum bereitgestellt wird,
- - die äußere Geometrie des Bauteils unter Durchführung eines 3D-Scans zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig bestimmt wird,
- - von wenigstens einem Abschnitt des Bauteils, der außenseitig unter Durchführung des 3D-Scans vermessenen wurde oder noch vermessen wird und der wenigstens einen Hohlraum des Bauteils begrenzt, die Wandstärke mittels Ultraschall bestimmt wird,
- - insbesondere von wenigstens einem Abschnitt des Bauteils, der wenigstens einen Hohlraum des Bauteils begrenzt, die innere und äußere Bauteilgeometrie durch Röntgen-Computertomographie bestimmt wird, und
- - die durch den 3D-Scan und die Ultraschallwandstärkenmessung und insbesondere durch die Röntgen-Computertomographie gewonnenen Daten zusammengeführt werden, wobei aus den Daten des 3D-Scans über die äußere Geometrie und den Daten der Ultraschallwandstärkenmessung über die Wandstärke die innere Geometrie des Bauteils im Bereich des wenigstens einen mit Ultraschall vermessenen Abschnitts rekonstruiert wird, und wobei insbesondere die mittels des 3D-Scans bestimmte äußere Geometrie und die mittels Röntgen-Computertomographie bestimmte äußere Geometrie übereinander gelegt wird.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Bauteil mit einem oder mehreren Hohlräumen, bei dem es sich beispielsweise um eine Turbinenschaufel mit einem oder mehreren Kühlkanälen handeln kann, außenseitig mittels eines 3D-Scans zu vermessen und zusätzlich für wenigstens einen Bauteilabschnitt eine Ultraschallwandstärken-Messung durchzuführen. Sind Außengeometrie und Wandstärke bekannt, können Koordinaten für die Innenwandung erhalten und die Innengeometrie rekonstruiert werden. Im Ergebnis werden zuverlässige Daten sowohl zu der Innen- als auch Außengeometrie erhalten. Dabei vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren die Problematik einer reduzierten Auflösung, wie sie insbesondere im Falle einer hohen Gesamtdicke bei Anwendung eines Röntgentomographie-Verfahren auftritt, vollständig. Mit dem erfindungsgemäße Verfahren können im Ergebnis mit hoher räumlicher Auflösung Informationen sowohl über die äußere als auch die innere Bauteilgeometrie, dies auch in Bereichen hoher zu durchleuchtender Gesamtdicke, beispielsweise im Bereich der Saug- und Druckseiten hohler Schaufelblätter von auch großen Turbinenschaufeln erhalten werden. Unter einer hohen räumlichen Auflösung ist dabei insbesondere eine solche von 0,1mm oder weniger zu verstehen.
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Unter der inneren Geometrie des Bauteils ist diejenige zu verstehen, die im Bauteilinneren im Bereich eines oder in den Bereichen mehrerer vorhandener Hohlräume vorliegt. Bei dem wenigstens einen Hohlraum in dem Bauteil muss es sich nicht um einen geschlossenen Hohlraum handeln sondern dieser kann bzw. diese können auch nach außen hin offen sein.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann prinzipiell jede der bekannten Arten von 3D-Scans durchgeführt werden, über welche eine äußere Bauteilgeometrie teilweise oder vollständig bestimmt werden kann. Insbesondere wird ein laser- oder lichtbasierter 3D-Scan, bevorzugt ein Laserprojektionsverfahren oder ein Strukturiertes-Licht-Projektionsverfahren durchgeführt.
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Mittels Ultraschall wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere eine Vielzahl von Punkten auf einer innenliegenden Oberfläche des Bauteils ermittelt, wofür in ans ich bekannter Weise eine ortsaufgelöste Ultraschallmessung durchgeführt wird. Es erfolgt bevorzugt ein automatisiertes Scannen des bzw. der betreffenden Abschnitte mittels wenigstens eines Ultraschall-Messkopfes, beispielsweise ein kontinuierlich Scannen entlang vorgegebener Linien. Besonders bevorzugt wird wenigstens ein Ultraschall-Messkopf in einem vorgegebenen Abstand zu der Bauteiloberfläche entlang einer vorgegebenen Bahn verfahren und werden während des Verfahrens Messwerte ortsabhängig aufgezeichnet, wobei die vorgegebene Bahn insbesondere in Abhängigkeit der durch den 3D-Scan bestimmten äußeren Geometrie berechnet wird. In diesem Falle wird insbesondere zunächst die äußere Geometrie mittels des 3D-Scans bestimmt, dann die Verfahrstrecke, also die vorgegebene Bahn für den Ultraschall-Messkopf auf Basis der erfassten Daten zu der äußeren Geometrie berechnet und der Ultraschall-Messkopf entlang der berechneten Bahn verfahren. Der Ultraschall-Messkopf ist mit dem zu untersuchenden Bauteil akustisch gekoppelt. Punkt-Daten, die durch eine ortsaufgelöste Ultraschallmessung erhalten wurden, werden ferner bevorzugt interpoliert, um eine innere Geometrie - beispielsweise im Bereich der Saug- und Druckseite einer Turbinenschaufel - zu erhalten.
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Zusätzlich zu dem 3D-Scan und der Ultraschall-Messung wird in besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Abschnitt oder werden mehrere Abschnitte des zu untersuchenden Bauteils über Röntgen-Computertomographie vermessen. Da erfindungsgemäß jedoch nicht ausschließlich auf ein solches Verfahren zurückgegriffen wird, kann dessen Anwendung gezielt auf denjenigen Abschnitt bzw. diejenigen Abschnitte eines Bauteils begrenzt werden, in dem bzw. denen die Problematik einer hohen Gesamtdicke des zu durchleuchtenden Materials nicht besteht und somit eine gute Auflösung auch mittels der Röntgen-Computertomographie erhältlich ist. In den Bereichen, in denen eine hohe Gesamtdicke vorliegt, kommt dann insbesondere gezielt die Ultraschall-Messung zur Anwendung.
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Werden Daten mittels 3D-Scans, Ultraschall und Röntgentomographie erfasst, erfolgt die Zusammenführung der Daten insbesondere derart, dass die äußere Geometrie des 3D-Scans und die äußere Geometrie der Röntgentomographiemessung übereinander- bzw. aneinander gelegt werden und die Punkt-Daten der Ultraschall-Wandstärkemessung hinzugefügt werden, wobei die mit der Röntgentomographie bestimmte Innenkontur und die mit Ultraschall bestimmten Punkte für die innere Geometrie aneinandergelegt und insbesondere die Punktdaten der Ultraschallmessung interpoliert werden, um eine vollständige Innengeometrie, beispielsweise eines Schaufelblattes, zu erhalten. Prinzipiell ist die Reihenfolge, in welcher der 3D-Scan, die Ultraschallmessung und ggf. die Röntgenmessung durchgeführt werden beliebig und es ist auch eine gleichzeitige Anwendung möglich. Bevorzugt erfolgt jedoch zumindest der 3D-Scan vor der Ultraschall-Messung, da dann die Wandstärkenmessung gezielt an vorgegebenen Stellen der bereits über den 3D-Scan ermittelten Außengeometrie erfolgen kann.
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Die erfindungsgemäße Kombination mehrerer zerstörungsfreier Analyseverfahren ermöglicht eine robuste und zuverlässige Bestimmung sowohl der äußeren als auch der inneren Geometrie von Bauteilen, insbesondere Schaufelblätter auch von großen Turbinenschaufeln. Es können zuverlässig Schlüsse über die Kernposition gezogen und innenliegende Hohlräume untersucht werden, die mit anderen Inspektionsmethoden nicht zugänglich sind.
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Die äußere Geometrie und innere Geometrie wird erfindungsgemäß jeweils vollständig oder auch nur abschnittsweise bestimmt. Beispielsweise kann die äußere Geometrie vollständig über einen 3D-Scan bestimmt werden, von der inneren Geometrie jedoch nur einer oder mehrere Abschnitte unter Durchführung eines Ultraschall- und insbesondere Röntgen-Computertomographie-Verfahrens. Auch kann die äußere und die innere Geometrie jeweils nur zum Teil bestimmt werden, beispielsweise von einer ein Schaufelblatt und einen Schaufelfuß aufweisenden Turbinenschaufel nur von dem Blatt die äußere und innere Geometrie.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mittels Ultraschall und mittels Röntgen-Computertomographie verschiedene Abschnitte des Bauteils vermessen werden. Ein Überlapp der Abschnitte in einem gewissen Maße kann selbstverständlich vorliegen, sogar von Vorteil sein, um die Geometrie der mit den verschiedenen Verfahren vermessenen Abschnitte zum Erhalt einer Gesamtgeometrie mit besonders gutem Fitting aneinandersetzen zu können. Zweckmäßiger Weise ist für eine vorgegebene Bauteilart vorab konkret festgelegt, welche Abschnitte mit welchem Messverfahren untersucht werden.
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Handelt es sich bei dem zu untersuchenden Bauteil um eine hohle Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenschaufel, die einen oder mehrere innenliegende Kühlkanäle aufweist, ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass durch Röntgen-Computertomographie zumindest die innere und äußere Geometrie desjenigen Abschnitts der Turbinenschaufel bestimmt wird, der deren Vorderkante definiert, und/oder durch Röntgen-Computertomographie zumindest die innere und äußere Geometrie desjenigen Abschnitts der Turbinenschaufel bestimmt wird, der deren Hinterkante definiert. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mittels Ultraschall zumindest von einem Abschnitt der Turbinenschaufel die Wandstärke bestimmt wird, der deren Saugseite teilweise oder vollständig definiert, und/oder dass mittels Ultraschall zumindest von einem Abschnitt der Turbinenschaufel die Wandstärke bestimmt wird, der deren Druckseite teilweise oder vollständig definiert. Die Ultraschallwandstärkenmessung wird bevorzugt im Bereich derjenigen Abschnitte eines Bauteils durchgeführt, die vergleichsweise flach und langgestreckt sind. Bei Turbinenschaufeln sind solche Bereiche insbesondere durch die Saug- und Druckseite gegeben.
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In Weiterbildung wird durch Röntgen-Computertomographie die innere und äußere Bauteilgeometrie von wenigstens einem Abschnitt des Bauteils bestimmt, der sich an wenigstens einen Abschnitt des Bauteils anschließt, dessen Wandstärke mittels Ultraschall vermessenen und dessen innere Geometrie auf Basis der zusammengeführten Daten bestimmt wurde. Die durch Röntgen-Computertomographie bestimmte innere Geometrie und die unter Verwendung von Ultraschall bestimmte innere Geometrie werden dann zur Rekonstruktion bevorzugt aneinander gefügt.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der 3D-Scan und/oder die Ultraschallwandstärkenbestimmung und/oder die Röntgen-Computertomographie derart durchgeführt, dass Messdaten mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 0,1mm, bevorzugt weniger als 0,05mm, besonders bevorzugt weniger als 0,02mm erhalten werden. Die vorgenannten Werte stellen dann insbesondere in an sich bekannter Weise den maximalen Abstand benachbarter Messpunkte dar.
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Ist die innere und äußere Geometrie eines Bauteils abschnittsweise oder vollständig bestimmt, kann überprüft werden, ob vorgegebene Fertigungstoleranzen eingehalten worden sind und, wenn dies nicht der Fall ist, kann eine mechanische Nachbearbeitung des Bauteils an Stellen mit unzulässigen Abweichungen erfolgen. Entsprechend zeichnet sich eine weitere Ausführungsform dadurch aus, dass die mittels des 3D-Scans und des Ultraschallwandstärkenmessung und insbesondere der Röntgen-Computertomographie bestimmte äußere und innere Bauteilgeometrie mit einer Sollgeometrie für das Bauteil verglichen wird, und im Falle von Abweichungen der inneren und/oder äußeren Geometrie von der Solgeometrie eine mechanische Nachbearbeitung des Bauteils erfolgt.
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Die vorstehende Aufgabe wird darüber hinaus gelöst durch eine Vorrichtung zur zumindest abschnittsweisen, bevorzugt vollständigen Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie eines Bauteils mit wenigstens einem Hohlraum, umfassend
- - eine Aufnahme für ein zu vermessendes Bauteil,
- - eine 3D-Scan-Einrichtung, die ausgebildet und angeordnet ist, um die äußere Geometrie eines an der Aufnahme gehaltenen Bauteils zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig zu bestimmen,
- - eine Ultraschall-Einrichtung, die ausgebildet und angeordnet ist, um die Wandstärke wenigstens eines Abschnitts eines an der Aufnahme gehaltenen Bauteils zu bestimmen,
- - insbesondere eine Röntgen-Computertomographie-Einrichtung, welche ausgebildet und angeordnet ist, um die innere und äußere Geometrie wenigstens eines Abschnitts eines an der Aufnahme gehaltenen Bauteils zu bestimmen, und
- - eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, welche ausgebildet ist, um die 3D-Scan-Einrichtung und die Ultraschall-Einrichtung und insbesondere die Röntgen-Computertomographie-Einrichtung zu steuern, und um Daten von der 3D-Scan-Einrichtung und der Ultraschall-Einrichtung und insbesondere der RöntgenEinrichtung zu empfangen und weiterzuverarbeiten.
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In bevorzugter Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Ultraschall-Einrichtung einen Roboter und wenigstens einen an dem Roboter befestigten Ultraschall-Messkopf. Bei dem Roboter handelt es sich insbesondere um einen Knickarmroboter und der wenigstens eine Ultraschall-Messkopf ist dann an dem freien Ende des Roboterarms befestigt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die 3D-Scan-Einrichtung einen Roboter und einen an dem Roboter befestigten 3D-Scan-Messkopf umfasst, wobei es sich bei dem Roboter insbesondere um einen Knickarmroboter handelt und der wenigstens eine 3D-Scan-Messkopf an dem freien Ende des Roboterarms befestigt ist. Mittels eines Roboters kann ein Ultraschall-Messkopf, der zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen ausgebildet ist, und/oder ein 3D-Scan-Messkopf, der insbesondere zum Aussenden und Empfangen von optischen Signalen ausgebildet ist, automatisiert bevorzugt entlang vorgegebener Strecken relativ zu einem zu untersuchenden Bauteil verfahren, also das Bauteil automatisiert mit dem jeweiligen Messkopf insbesondere berührungslos „abgetastet“ werden. Der oder die Roboter ermöglichen dabei ein automatisiertes, besonders präzises Verfahren der Messköpfe. Dies ist insbesondere im Falle des Ultraschall-Messkopfes vorteilig, da dieser mit einem Roboter präzise entlang einer in Abhängigkeit der 3D-Scan-Messung berechneten Bahn verfahren werden kann.
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Weiterhin kann ein die Aufnahme für das wenigstens eine Bauteil tragender Drehtisch vorgesehen ist. Ist das zu untersuchende Bauteil drehbar gelagert kann mit geringem Aufwand eine Untersuchung von allen Seiten erfolgen. Beispielsweise kann eine um eine Vertikale drehbar gelagerte Bauteilaufnahme zentral auf einem Sockel oder Tisch der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein und die 3D-Scan-Einrichtung auf der einen und die Ultraschall-Einrichtung auf der gegenüberliegenden Seite der Aufnahme angeordnet sein und über ein Drehen des Bauteils wird dann sichergestellt, dass beide Seiten zugänglich sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner die Steuer- und Auswerteeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. In dieser kann insbesondere ein Computerprogramm abgelegt sein, mittels dem die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Steuer- und Rechenschritte automatisiert absolviert werden, nachdem ein zu untersuchendes Bauteil an bzw. in der Aufnahme bereitgestellt wurde.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsforme der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 2 ein Blockdiagramm mit den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt in rein schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie einer Turbinenschaufel 1 mit mehreren innenliegenden Kühlkanälen.
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Die Vorrichtung umfasst eine Aufnahme für eine zu vermessende Turbinenschaufel 1, die vorliegend durch eine in der Figur aus Gründen der vereinfachten Darstellung nicht erkennbaren Halterung für eine Turbinenschaufel 1 gebildet wird, die an der Oberseite eines auf einem Sockel 3 der Vorrichtung angeordneten Drehtisches 2 befestigt ist. In der 1 ist eine Turbinenschaufel 1 mit mehreren innenliegenden Kühlkanälen in an dem Drehtisch 2 gehaltenen Zustand gezeigt.
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De Vorrichtung umfasst weiterhin eine 3D-Scan-Einrichtun 4 und eine Ultraschall-Einrichtung 5, die jeweils auf dem Sockel 3, in der 1 links und rechts von dem Drehtisch 2 angeordnet sind.
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Die 3D-Scan-Einrichtung 4 weist einen vorliegend als Knickarmroboter ausgebildeten Roboter 6 und einen an dem Roboter 6 befestigten 3D-Scan-Messkopf 7 auf, der an dem freien Ende des Roboterarms 6 befestigt ist. 3D-Scan-Messkopf 7 ist ausgebildet, um Licht in Richtung einer an dem Drehtisch 3 gehaltenen Turbinenschaufel 1 zu emittieren und von dieser reflektiertes Licht zu detektieren, um hierdurch in an sich bekannter Weise die äußere Geometrie zu bestimmen.
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In analoger Weise umfasst die Ultraschall-Einrichtung 5 einen vorliegend als Knickarmroboter ausgebildeten Roboter 8 und einen an dem Roboter 8 befestigten Ultraschall-Messkopf 9, der über einen Haltearm 10 an dem freien Ende des Roboterarms befestigt ist. Der Ultraschall-Messkopf 9 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet, um Ultraschallwellen in ein Bauteil einzukoppeln, von dem Bauteil reflektierte Ultraschallwellen zu detektieren und die Laufzeitdifferenz zu ermitteln.
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Es ist weiterhin eine in der 1 nur rein schematisch dargestellte Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 vorgesehen, welche ebenfalls Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist und eine Röntgenstrahlungsquelle 12 und einen Detektor 13 für Röntgenstrahlung umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten von dem Drehtisch 2 auf dem Sockel 3 angeordnet bzw. an diesem befestig sind, so dass von der Röntgenstrahlungsquelle 12 emittierte und durch eine auf dem Drehtisch 3 gehaltene Turbinenschaufel 1 transmittierte Röntgenstrahlung von den Detektor 13 erfasst werden kann. Es sei angemerkt, dass die Röntgenstrahlungsquelle 12 und der Detektor 13 in der 1 nur stark vereinfacht dargestellt sind.
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Schließlich umfasst die Vorrichtung eine zentrale Steuer- und Auswerteeinrichtung 14, die ausgebildet ist, um die 3D-Scan-Einrichtung 4, die Ultraschall-Einrichtung 5 und die Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 zu steuern, und um Daten von der 3D-Scan-Einrichtung 4, der Ultraschall-Einrichtung 5 und der Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 zu empfangen und weiterzuverarbeiten. Die zentrale Steuer- und Auswerteeinrichtung 14 ist zur Durchführung der im Folgenden noch beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie einer an dem Drehtisch 3 gehaltenen Turbinenschaufel 1 eingerichtet.
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Zur Bestimmung der äußeren sowie inneren Geometrie einer an dem Drehtisch 3 gehaltenen Turbinenschaufel 1 mit mehreren innenliegenden Kühlkanälen wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der in 1 dargestellten Vorrichtung durchgeführt. Die Verfahrensschritte können dem Blockbild aus 2 entnommen werden.
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Konkret wird in einem ersten Schritt S1 eine zu vermessende Turbinenschaufel 1 bereitgestellt und an dem Drehtisch 3 befestigt.
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Im nächsten Schritt S2 wird die äußere Geometrie der Turbinenschaufel 1 - mit Ausnahme der Geometrie der dem Drehtisch 3 zugewandten Schaufelunterseite - über einen 3D-Scan bestimmt. Hierzu kommt die 3D-Scan-Einrichtung 4 zum Einsatz, wobei mittels des Roboters 6 der 3D-Scan-Messkopf 7 nahe der Turbinenschaufel 1 positioniert und zunächst die äußere Geometrie der dem 3D-Scan-Messkopf 7 zugewandten Seite der Turbinenschaufel 1 erfasst wird. Im Anschluss daran wird die Turbinenschaufel 1 mit Hilfe des Drehtisches 3 um 180° gedreht und die äußere Geometrie der anderen Seite der Turbinenschaufel 1 in gleicher Weise bestimmt.
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Auf Basis der äußeren Geometriedaten wird in einem Schritt S3 eine Verfahrstrecke berechnet, entlang derer der Ultraschall-Messkopf 9 der Ultraschall-Einrichtung 5 in einem vorgegeben Abstand zu der Oberfläche der Turbinenschaufel 1 entlang dieser zunächst im Bereich deren Saugseite und anschließend, nach erneuter Drehung der Turbinenschaufel 1 um 180° mittels des Drehtisches 3, der Druckseite mittels des Roboters 8 zu verfahren ist, um die Wandstärke im Bereich der Saugseite und der Druckseite zu ermitteln.
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In Schritt S4 wird der Ultraschall-Messkopf 9 entlang der berechneten Verfahrstrecke zunächst auf der Saug- und dann der Druckseite der Turbinenschaufel 1 verfahren, wobei die Turbinenschaufel 1 erneut mittels des Drehtisches 3 um 180° gedreht wird, damit zunächst die Saug- und dann die Druckseite vermessen werden kann.
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Anschließend wird in Schritt S5 unter Verwendung der Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 die innere und äußere Bauteilgeometrie im Bereich der Vorderkante und der Hinterkante der Turbinenschaufel 1 bestimmt. Dazu werden in an sich bekannter Weise für eine Vielzahl von unterschiedlichen Positionen der Turbinenschaufel 1, die über den Drehtisch 3 eingestellt werden können, Röntgenbilder aufgenommen und aus den Aufnahmen Schnittbilder erzeugt.
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Mit allen drei Messverfahren werden Geometriedaten mit einer Auflösung von 0,1mm, bevorzugt weniger als 0,05mm, besonders weniger als 0,02mm erhalten.
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Es versteht sich, dass zum Schutz von Bedienpersonal in an sich bekannter Weise Mittel zum Strahlenschutz, beispielsweise die Vorrichtung 1 umgebende, in der 1 nicht dargestellte Strahlenschutzwände vorgesehen sein können bzw. die Vorrichtung 1 in einem entsprechenden ausgestatteten Raum angeordnet und die Messungen bei Abwesenheit von Personen automatisiert durchgeführt werden können.
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Die durch Röntgen-Computertomographie erfassten Daten für die innere und äußere Geometrie werden in Schritt S6 mit denjenigen der 3D-Scan- und der Ultraschallmessung in der zentralen Steuer- und Auswerteeinrichtung 14 zusammengeführt, um eine Gesamtgeometrie zu erhalten. Unter Berücksichtigung der äußeren Geometrie und der erfassten Wandstärke werden mittels der zentralen Steuer- und Auswerteeinrichtung 14 auf der inneren Oberfläche der Turbinenschaufel 1 liegende Punkte bestimmt und interpoliert, um Daten zur inneren Geometrie im Bereich der Druck- und Saugseite zu erhalten. Es werden ferner die Daten der Röntgen-Computertomographie hinzugefügt, wobei die mit der Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 bestimmte äußere Geometrie im Bereich der Vorder- und Hinterkante und die mit der 3D-Scan-Einrichtung 4 bestimmte äußere Geometrie im Bereich der Vorder- und Hinterkante übereinander gelegt werden.
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In Schritt S7 wird die die mittels des 3D-Scan-Verfahrens, des Ultraschall-Verfahrens und des Röntgen-Computertomographie-Verfahrens bestimmte äußere und innere Geometrie der Turbinenschaufel 1 mit einer Sollgeometrie für diese verglichen, und im Falle von Abweichungen der inneren und/oder äußeren Geometrie von der Sollgeometrie erfolgt eine mechanische Nachbearbeitung der Turbinenschaufel 1 mit in der Figur nicht dargestellten Mitteln.
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Die erfindungsgemäße Kombination mehrerer zerstörungsfreier Analyseverfahren ermöglicht eine robuste und zuverlässige Bestimmung sowohl der äußeren als auch der inneren Geometrie der Turbinenschaufel 1. Es können zuverlässig Schlüsse über die Kernposition gezogen und innenliegende Hohlräume untersucht werden, die mit anderen Inspektionsmethoden nicht zugänglich sind. Dabei vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren die Problematik einer reduzierten Auflösung im Bereich der Saug- und Druckseite, wo eine hohe Gesamtdicke vorliegt, da in diesen Bereichen gezielt keine Röntgentomographie erfolgt sondern eine Ultraschallwandstärkenmessung.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 vorgesehen sein und dann beispielsweise alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie der Turbinenschaufel 1 mittels Röntgen-Computertomographie erfolgen sondern nur ein 3D-Scan zur Bestimmung der Außengeometrie und eine Ultraschallwandstärkenbestimmung im Bereich der Saug- und Druckseite der Turbinenschaufel 1. Auch ist es möglich, dass auf eine separate Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 zugegriffen wird, also mit einer wie in 1 dargestellten jedoch keine Röntgen-Computertomographie-Einrichtung 11 umfassenden Vorrichtung die 3D-Scan- und Ultraschallmessung erfolgt und die zu untersuchende Turbinenschaufel 1 im Anschluss von dem Drehtisch 2 entfernt und zu einer separat vorgesehenen Röntgen-Computertomographie-Einrichtung gebracht und dort eine Bestimmung der äußeren und inneren Geometrie der Turbinenschaufel 1 mittels Röntgenstrahlung erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008048963 A1 [0002]
- DE 102008020948 A1 [0004]
