Die prozessdatenbasierte Prognose der Bauteilqualität soll die Bauteilprüfung wirtschaftlicher machen und die Serienproduktion von BLISKs stabilisieren.  Guido Flüchter  Foto: Fraunhofer IPT
Die prozessdatenbasierte Prognose der Bauteilqualität soll die Bauteilprüfung wirtschaftlicher machen und die Serienproduktion von BLISKs stabilisieren. Guido Flüchter Foto: Fraunhofer IPT

In der Luftfahrt gelten strengste Sicherheitsstandards. Selbst winzige
Abweichungen an den einzelnen Bauteilen der Flugzeugantriebe
beeinträchtigen die Sicherheit und erhöhen den Treibstoffverbrauch sowie
die Lärmemission. Doch sogar bei nahezu identischen Rahmenbedingungen
schwankt die Qualität der Turbomaschinenkomponenten in der
Serienfertigung. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
aus Aachen untersucht deshalb in einem Konsortialprojekt, wie sich die
Serienproduktion von BLISKs (Blade Integrated Disks) stabilisieren lässt.

Bei der BLISK-Serienfertigung führt eine Vielzahl von Einflüssen und deren
Wechselwirkungen zu ungewollten Schwankungen. Die Einflüsse reichen vom
Werkzeugzustand, der sich aufgrund von Verschleiß verändert, über die
Maschinen und die Umgebungstemperatur bis hin zur Werkstoffqualität.
Darüber hinaus entstehen bei der Fräsbearbeitung Schwingungen, die sich
auf die Bauteilqualität auswirken können. Die verschiedenen Einflussgrößen
und ihre Wechselwirkungen zu kontrollieren, ist zurzeit nur bedingt
möglich, da jeder Eingriff in den laufenden Fertigungsprozess wiederum zu
Stabilitätseinbußen führen kann.

Um Abweichungen – besonders bei komplexen und sicherheitskritischen
Bauteilen wie BLISKs – zu vermeiden, müssen die Bauteile nach der
Fertigung aufwändig geprüft und nachbearbeitet werden. Eine langwierige
Prozedur: Schon die Prüfung einer einzigen BLISK dauert oft mehr als 20
Stunden; die Nachbearbeitung beansprucht nicht selten einige Tage.

Mit Digitalisierung zu transparenteren Fertigungsprozessen

Ein Forscherteam des Fraunhofer IPT untersucht zurzeit, wie sie durch die
Erfassung und Analyse von Prozessdaten die Fertigungsprozesse für
hochkomplexe Bauteile wie BLISKs verbessern und stabilisieren und darüber
hinaus Qualitätsabweichungen reduzieren können. Sie prüfen, welche
Faktoren sich während der Fertigung in welcher Weise gegenseitig
beeinflussen, und wie sich dies dann auf das Bauteil auswirkt. Dazu
fertigen die Aachener Wissenschaftler BLISKs in einer Kleinserie.
Mithilfe von Sensordaten werfen sie einen Blick ins Innere der
Serienproduktion: Während der Fertigung erfassen und analysieren sie alle
verfügbaren Prozessdaten, beispielsweise von Maschinen- und
Werkzeugzuständen wie Achspositionen, Spindelleistung und Motorströmen,
Schalldruck, Vibrationen und Werkzeugverschleiß. Auch weitere Parameter
wie Kühlmittelbeschaffenheit, Umgebungstemperatur und
Materialeigenschaften des Werkstücks werden aufgenommen. Mithilfe der
erfassten Prozessdaten gewinnen die Aachener Wissenschaftler einen
detaillierten Einblick in den Fertigungsprozess und können auf die
Qualität des Bauteils rückschließen.

Prognose der Bauteilqualität und Optimierung der Fertigungsprozesse

Für die Analyse der Daten wenden die Aachener Wissenschaftler Methoden der
modellbasierten Datenanalyse sowie verschiedene Machine-Learning-
Algorithmen an. Aufgrund der Datenaufnahme und -analyse konnten sie
bereits einige bisher unbekannte Zusammenhänge in der Fertigung
identifizieren. Durch den Einsatz der am Fraunhofer IPT neu entwickelten
Analysetools und Algorithmen lassen sich sogar Abweichungen von nur
wenigen Mikrometern quantifizieren und örtlich zuordnen. »Die Kenntnisse
über Kausalzusammenhänge ermöglichen uns neben der besseren Prognose der
Bauteilqualität auch eine gezielte Optimierung der Fertigungsprozesse.
Beispielsweise wird es möglich, Prozessparameter punktuell anzupassen,
sodass es nicht zu ungünstigen Prozesszuständen kommt«, sagt Projektleiter
Tommy Venek vom Fraunhofer IPT. Darüber hinaus sei es möglich, die
Zusammenhänge in Modellen abzubilden und direkt in der Prozessplanung zu
berücksichtigen – selbst für anspruchsvolle Bauteile. Durch die
prozessdatenbasierte Prognose der Bauteilqualität möchten die
Wissenschaftler einen Beitrag zu einer wirtschaftlicheren Bauteilprüfung
und zur Einhaltung immer engerer Toleranzen im Turbomaschinenbau leisten.

Projektfinanzierung durch das ICTM Aachen

Das Forschungsprojekt wurde 2020 als eines von 13 Projekten von den
Partnern des ICTM Aachen - International Center for Turbomachinery
Manufacturing ausgewählt. Alle ICTM Industriepartner erhalten die
Projektergebnisse in Form einer Abschlusspräsentation sowie eines
Abschlussberichts.

Interessierten Unternehmen bieten sich verschiedene Möglichkeiten der
Mitgliedschaft im ICTM Aachen. Auskunft erteilt gerne Daniel Heinen, F&E
Manager ICTM Aachen und Geschäftsfeldleiter Turbomaschinen am Fraunhofer
IPT (Telefon +49 241 8904-443, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!.de).