Roboterzelle zum automatisierten Schleifen

Andrea Gillhuber,

Turbinenschaufeln automatisiert schleifen

Im Rahmen des Forschungsprojekts TurboERAS wurde eine Roboterzelle zum automatisierten Schleifen gegossener Turbinenschaufeln entwickelt. Beteiligt waren vier Unternehmen sowie ein Fraunhofer-Institut.
Die SHL AG hat gemeinsam mit Partnern im Rahmen des Projekts TurboERAS eine Roboterzelle zum automatisierten Schleifen von Turbinenschaufeln entwickelt. © SHL AG

Experten rechnen in den kommenden Jahren mit einer steigenden Nachfrage nach Komponenten wie Turbinen- und Verdichterschaufeln. Dies gilt vor allem in der Luftfahrtindustrie. Hier besteht nach wie vor die Forderung nach Gewichtsreduzierung und Steigerung der Verbrennungstemperatur. Die Komponenten werden aus neuartigen Hochleistungswerkstoffen wie Titanaluminiden oder Nickel-Basis-Legierungen gefertigt und entstehen dabei durch einen Gussprozess.

Bisher korrigieren Mitarbeiter Formabweichungen des Turbinenschaufel-Profils nach der Fertigung manuell, was jedoch äußerst zeitaufwendig ist. Stabile Verfahren wie das Fräsen kommen werkstoffbedingt nicht in Frage. Die manuelle Nachbearbeitung ist unterdessen nicht nur anstrengend, sondern gefährdet auch die Gesundheit der Mitarbeiter, denn beim Schleifen von hochtemperaturfesten Turbinenschaufeln aus Nickel-Basis-Legierungen wie Inconel 738 entstehen krebserregende Stäube. Die Entwicklung einer Roboterlösung sollte die Gesundheitsbelastung der Mitarbeiter nachhaltig minimieren. Darüber hinaus galt es, die Wirtschaftlichkeit und Prozessstabilität durch Automatisierung zu verbessern.

Das Forschungsprojekt

Im Forschungsprojekt TurboERAS ist es gelungen, eine Roboterzelle zum automatisierten Schleifen von gegossenen Turbinenschaufeln als Prototyp zu entwickeln. Neben der SHL AG und dem Fraunhofer IPT waren die ModuleWorks aus Aachen, die Doncasters Precision Castings-Bochum und die Carl Zeiss Optotechnik aus dem bayerischen Pilsting an Bord des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts. Die Herausforderungen waren dabei klar definiert: Die Komplexität einer adaptiven Bearbeitung erfordert eine schnelle Erfassung der Ist-Geometrie und eine zuverlässige Analyse von Schaufellage und Formabweichungen zur Soll-Geometrie. Zudem galt es, die 6-achsigen Fertigungsbahnen automatisiert zu erstellen. Carl Zeiss Optotechnik steuerte dazu hardware- und softwaretechnische Komponenten für die optische 3D-Messtechnik bei, während ModuleWorks eine CAM-Software zur effizienten Programmierung und anschließenden präzisen, mannlosen Bearbeitung lieferte. Die Eignung des TurboERAS-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.

Anzeige

Sichere Aufspannung am Roboterflansch

Die Bearbeitung erfolgt an der Freiband-Kontaktrollenschleifmaschine 250/450 von SHL. © SHL AG

Die Bearbeitung in der Zelle erfolgt werkstückgeführt. Ein Kuka-Industrieroboter bringt das Bauteil zunächst an ein fest installiertes 3D-Messsystem von Carl Zeiss Optotechnik. Anschließend führt er die Schaufel zum Schleifen an die Freiband- und Kontaktrollenschleifmaschine FKS 250/450 von SHL. Entstehende Stäube werden sofort abgesaugt. Die Robotersteuerung regelt den Schleifprozess über die Stellgrößen Band- und Vorschubgeschwindigkeit sowie Anpressdruck. Das speziell auf die Schaufelgeometrie ausgelegte System ermöglicht eine sichere Aufspannung am Roboterflansch. Bedingt durch vorhandene Formabweichungen an den Spannflächen des gegossenen Bauteils ist dies allerdings nicht reproduzierbar möglich. Die Referenzierung der Schaufel erfolgt daher mittels 3D-Messtechnik.

Vermessung der Schaufel mittels Streifenlicht-Projektion. Dabei werden Aufnahmen aus mehreren Richtungen zu einer dreidimensionalen Abbildung zusammengeführt. © SHL AG

Die Bauteilvermessung erfolgt durch Streifenlicht-Projektion. Dabei entstehen durch Aufnahmen aus mehreren Richtungen dreidimensionale Abbildungen. Carl Zeiss Optotechnik entwickelte hierfür eine spezielle Systemkonfiguration. Die Messdaten werden mithilfe von Software verarbeitet, indem die 3D-Punktewolken der Einzelmessung automatisiert zusammengesetzt und in ein Dreiecksnetz transformiert werden. Daraufhin kommt es über eine Auswertesoftware zum Vergleich mit dem CAD-Modell der Schaufel. Abweichungen werden über farbliche Darstellungen visualisiert.

Um die geforderte Formgenauigkeit der Turbinenschaufel zu erfüllen, entwickelte ModuleWorks eine auf die adaptive Schleifbearbeitung zugeschnittene CAM-Lösung. Dabei wurde ein Grundgerüst realisiert, mit dem ausgehend von einer CAD-Datei der Schaufel die passenden Bahnen entlang des Schaufelblatts programmiert werden können. Eine wichtige Komponente der CAM-Software ist die Kollisionskontrolle; diese 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.

Robotergestützte, adaptive Schleifbearbeitung

Vermessung der Schaufel mittels Streifenlicht-Projektion. Dabei werden Aufnahmen aus mehreren Richtungen zu einer dreidimensionalen Abbildung zusammengeführt. © SHL AG

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

Nach Unterlagen von SHL AG

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige