Teilprojekt A2 Multiskalige Geometrieerfassung

Das Teilprojekt A2 umfasst die Entwicklung eines robotergeführten Multisensorsystems zur automatisierten 3D Erfassung von komplexen Geometrien. Die Messergebnisse der einzelnen Skalenbereiche werden zur Charakterisierung der Bauteilgeometrie in Hinblick auf Verschleißspuren und Schäden sowie der Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit durch Messung der Oberflächenmikrostrukturen genutzt. Das Messsystem wird im Rahmen der Eingangsbefundung und zwischen bearbeitenden Reparaturmaßnahmen zur Qualitätsbewertung eingesetzt.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Kantenmessung. Eine Laserlinie wird über Umlenkspiegel auf die Schaufel gerichtet. Durch ein Polyview-Objektiv wird die Laserlinie aus mehreren Perspektiven von der Kamera erfasst und so die Kante gemessen.

Die Ergebnisse der Eingangsbefundung für betriebsbeanspruchten Triebwerkkomponenten ist für alle weiteren Entscheidungen ausschlaggebend. Der Grad der Beschädigung bestimmt ob ein Bauteil repariert werden kann oder welcher Reparaturpfad am besten geeignet ist. Hierzu ist eine detaillierte Kenntnis des Ist-Zustands notwendig, die sowohl makroskopische Beschaffenheit wie die Form, als auch mikroskopische Strukturen wie die Oberflächenrauheiten und – mikrostrukturen umfasst.

Aktuell wird der Befundungsprozess manuell durchgeführt und basiert auf Erfahrungswerten. Zur vollständigen Automatisierung des Regenerationsprozesses ist es deshalb notwendig diesen Schritt durch geeignete Messmethoden nachzubilden und zu erweitern. Herkömmliche Ein-Sensor-Systeme verfügen jedoch nicht über das erforderliche Spektrum an erfassbaren Skalenbereichen. Deshalb wird in Teilprojekt A2 ein robotergestütztes Multisensorsystem zur zerstörungsfreien Prüfung entwickelt. Ein 6-Achs-Industrieroboter dient hierbei der präzisen Positionierung der einzelnen Sensoren in ihrem Arbeitsbereich.

Die Daten der verschiedenen Sensoren werden miteinander fusioniert, damit ein ganzheitliches Modell des Messobjekts entsteht. Dieses Modell kann nun auf bestimmte Merkmale, wie Verschleißerscheinungen und Schäden, untersucht werden, welche ihrerseits charakterisiert und klassifiziert werden, um eine aussagekräftige Befundung zu gewährleisten.

Die gewonnenen Messdaten bilden die Grundlage für Simulationen anderer Teilprojekte und können für die Planung der Werkzeugpfade in bearbeitenden Prozessen genutzt werden.

Video: Die Lage des Roboterendeffektors mit dem Multisensorsystem wird durch einen hochpräzisen Lasertracker bestimmt, dies ermöglicht später das Verknüpfen der einzelnen Messfelder miteinander. Gezeigt wird (in der Reihenfolge des Videos) das Streifenlichtprojektionsverfahren und die zusammengefügten Messfelder der Schaufel, der Kantensensor mit Polyview-Optik, den BRDF-Sensor zur Approximation der Bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion sowie die Messung der Oberflächenmikrostruktur mit dem Low-Coherence-Interferometer mit Messarm an einer Blisk.

ERGEBNISSE

In den ersten Förderperioden wurden verschiedene Sensoren für den Einsatz am Roboter entwickelt. Jeder dieser Sensoren erfüllt hierbei seine eigene Aufgabe: Ein auf Streifenlichtprojektion basierendes System wird zur hochauflösenden Makroskopischen Erfassung der Geometrie genutzt. Zur genauen Erfassung von Kantenradien wurde ein Kantensensor mit einer Polyview Optik entwickelt. Die für die Strömungssimulation wichtigen Oberflächenrauheiten können durch ein Low-Coherence-Interferometer erfasst werden. Zur Erfassung nicht-geometrischer Eigenschaften wurde ein Sensor zur Approximation der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion entwickelt mit dem die Relexionseigenschaften der Oberfläche gemessen und so Oberflächenschäden wie beispielsweise Burnings detektiert werden können. Zur Registrierung der einzelnen Messungen wird ein Lasertracker genutzt, der die Lage des Endeffektors bestimmt.

Rauheitsmessungen an einer Blisk mit einem und Low-Coherence-Interferometer(LCI). Zu sehen ist das Multisensorsystem mit Streifenprojektionssystem, BRDF-und Kantensensor und dem LCI.

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Aktuell beschäftigt sich das Teilprojekt mit der Messdatenfusion der einzelnen Modalitäten. Desweiteren werden Verfahren zur intelligenten, adaptiven Bahnplanung erforscht, sodass die geometrische Beschaffenheit des Objekts nicht bekannt sein muss und die Unsicherheiten in den Messergebnissen minimiert werden können. Basierend auf dem fusionierten Messdatensatz sollen Schäden detektiert, lokalisiert und charakterisiert werden können. Die Schäden können dann in einer Datenbank zusammengefasst werden und stehen den nachfolgenden Teilprozessen zur Planung zur Verfügung.


VERÖFFENTLICHUNGEN

Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • Li, Y.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2017): Vibration-insensitive Low Coherence Interferometer (LCI) for the Measurement of Technical SurfacesMeasurement
    DOI: 10.1016/j.measurement.2017.03.010
  • Schlobohm J.; Bruchwald, O.; Frackowiak, W.; Li, Y.; Kästner, M.; Pösch, A.; Reimche, W.; Reithmeier, E.; Maier, H. J. (2016): Turbine blade wear and damage – An overview of advanced characterization techniquesMaterials Testing 58 (5), S. 389–394
    DOI: 10.3139/120.110872
  • Schlobohm, J.; Li, Y.; Pösch, A.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2016): Multiscale measurement of air foils with data fusion of three optical inspection systemsIn: CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 2016
    DOI: 10.1016/j.cirpj.2016.07.006
  • Zou, Y.; Li, Y.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2016): Low-coherence interferometry based roughness measurement on turbine blade surfaces using wavelet analysisIn: Optics and Lasers in Engineering 82, S. 113–121
    DOI: 10.1016/j.optlaseng.2016.02.011
  • Li, Y.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2015): High-precision surface measurement with an automated multiangle low coherence interferometerApplied Optics 54 (6), S. 1232
    DOI: 10.1364/AO.54.001232

Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Frackowiak, W.; Barton, S.; Reimche, W.; Bruchwald, O.; Zaremba, D.; Schlobohm, J.; Li, Y., Kaestner, M.; Reithmeier, E. (2018): Near-Wing Multi-Sensor Diagnostics of Jet Engine ComponentsASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition; Oslo, Norway, June 11–15, 2018
    DOI: 10.1115/GT2018-76793
  • Schlobohm, J.; Bruchwald, O.; Frąckowiak, W.; Li, Y.; Kästner, M.; Pösch, Reimche, W.; Maier, H. J., Reithmeier, E. (2017): Advanced Characterization Techniques for Turbine Blade Wear and DamageProcedia CIRP Bd. 59: ELSEVIER, S. 83–88
  • Li, Y.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2015): Development of a compact low coherence interferometer based on GPGPU for fast microscopic surface measurement on turbine bladesSPIE Optical Metrology 2015, Proc. SPIE 9525, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection IX, 95250R (pp. 95250R-95250R), Munich
    DOI: 10.1117/12.2184749
  • Schlobohm, J.; Li, Y.; Pösch, A.; Langmann, B.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2014): Multiscale Optical Inspection Systems for the Regeneration of Complex Capital GoodsProcedia CIRP. Proceedings of the 3rd International Conference in Through-life Engineering Services, Bd. 22: ELSEVIER, S. 243–248

Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Li, Y.; Bossmeyer, H.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2016): Development of an edge sensor based on polyview optics and laser triangulation principleIn: International Society for Optics and Photonics (Hg.): SPIE/COS Photonics Asia (inproceedings) S. 100231
  • Li, Y.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2015): Compact Optical Sensor for the Measurement of Surface Microtopographies on Turbine BladesAMA Conference 2015, Proceedings SENSOR 2015, Nürnberg, Germany
    DOI: 10.5162/sensor2015/C6.3
  • Krauss, M.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2013): Data quality estimation from interdependencies for structural light scannersTavares, João Manuel R. S. und Jorge, R. M. Natal (Hg.): Computational vision and medical image processing IV, S. 191–195
  • Krauss, M.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2012): Multi-Scale Inspection of Worn Surfaces for Product RegenerationMSC 2012, New Orleans: Spring 2013, S. 28–32

Nationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, nicht begutachtet

  • Krauss, M.; Ohrt, C.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2011): 3D Messtechnik für Inspektion und In-Situ ÜberwachungIngenieurspiegel, S. 71–72

Nationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Krauss, M.; Frackowiak, W.; Pösch, A.; Kästner, M.; Reithmeier, E.; Maier, H. J. (2013): Assessment of used turbine blades on and beneath the surface for product regeneration. Generation of a damage model based on reflection, geometry measurement and thermographyCLEO 2013, 16.5.2013 München
  • Ohrt, C.; Krauss, M.; Kästner, M.; Reithmeier, E. (2011): Optimierung eines endoskopischen StreifenprojektionssystemsSpani Molella, Luca Spani (Hg.): Vierter Workshop Optische Technologien. Tagungsband ; 17 - 18 November 2010. Garbsen: PZH, Produktionstechn. Zentrum

Dissertationen

  • Li, Y. (2017): Multiscale and multimodal geometric measurement and data fusion technologies for robot guided surface metrologyBerichte aus dem IMR, PZH Verlag, Garbsen 2017
    ISBN: 3959001487
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

PD Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Markus Kästner
Prof. Dr.-Ing. Eduard Reithmeier
Leitung

MITARBEITER

M. Sc. Tim Betker
Adresse
Nienburger Str. 17
30167 Hannover
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Nienburger Str. 17
30167 Hannover
M. Sc. Nils Melchert
Adresse
Nienburger Str. 17
30167 Hannover
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30167 Hannover